黑磷发光研究为新应用提供线索

节能LED(发光二极管)已经开始取代室内和室外的许多照明类型。LED兴起的一个关键原因是材料研究，大大提高了这些设备可实现的光的质量和强度。但这些材料必须以非常高的精度处理，包括尽可能无缺陷的表面。

“它们更高效，使用寿命更长，”劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)高级教师科学家Ali Javey说，“但为了获得良好的效率，你真的必须将[材料]表面处理得完美 - 你必须观察和控制表面化学，即使这样，你仍然有一些光损失。Javey还是加州大学伯克利分校的电气工程和计算机科学教授。

Javey和他的团队表示，他们最近对黑磷(BP)的研究 - 一种因其电子特性而感兴趣的材料 - 揭示了BP表面发光的诱人能力。

事实证明，可以刺激极薄的BP层以发射特定波长的有用量的光。更重要的是，它会不考虑表面。事实上，它们甚至可以让BP氧化(想想生锈)，它仍然会在中红外(IR)中发光而不会损失任何效率。

“我们不会对表面做任何特别的事情。我们不做任何特殊的化学反应。我们不放下任何特殊的保护层，“他说。

Javey团队在Nature Nanotechnology杂志上发表了他们的发现。

这项工作既是关于BP特性的基本发现，也为应用提供了令人兴奋的前景。

“黑磷对于中波红外光发射和检测真的很好，”Javey说。“我们的团队和其他人之前已经展示了非常明亮的中波红外LED。由于基本材料特性，使用传统半导体的中红外 LED 效率不高。BP在该波长范围内具有固有的优势。

Javey继续说道，中红外范围对夜视、传感、光谱学等领域的应用很感兴趣。“我们的研究结果强调了用于新型光电应用(如发光器件和光电探测器)的层状材料的独特材料特性。

从薄黑磷中获取光

Javey实验室一直在研究BP的“神奇特性”一段时间。2022年，他们报告说，在机械应变下，可以诱导BP在理想波长范围内动态发射或检测红外(IR)光 - 2.3至5.5微米，跨越短波到中波红外 - 并在室温下可逆地这样做。

“在这篇新论文中，我们研究了当我们改变BP的厚度时，发光机制是如何变化的，”共同作者Shiekh Uddin说。在厚单位的BP中，电子和空穴 - 即带负电和正电的粒子 - 在相互碰撞时可以产生光。

然而，在几纳米以下变薄时，BP表面的电子和空穴是如此受限，以至于它们像磁铁一样组合在一个口袋里。这种激发态称为激子，比孤立的电子和空穴更有效地发射光。

“重要的是，我们发现由于BP固有的晶体结构，表面对发光效率的危害较小，”共同作者Naoki Higashitarumizu说。事实证明，BP具有异常低的表面复合速度。这是载流子(电子或空穴)在不产生光的情况下在材料表面上丢失的速度的量度。

事实上，BP的表面复合速度比其他材料低两个数量级，Uddin说。即使表面因环境暴露而被氧化或损坏，也是如此。因此，即使BP做得很薄，我们也可以实现明亮的光发射。

展望未来，Javey说：“我们相信低表面复合不仅限于BP，还应该适用于具有类似晶体结构的其他层状材料。