扭轉的范德華（vdW）異質結構是現代材料科學中的一個重要研究方向，因其在光電器件、量子材料等領域的應用潛力而受到廣泛關注。這種結構通過原子級銳利的界面實現了對電子-空穴對輻射、分離和收集過程的操控，與傳統的半導體材料相比，范德華異質結構展現出可調節的光學和電學特性，以及極高的內部發光效率。然而，傳統材料在帶隙調控、光致發光（PL）和光伏效應等方面仍存在限制，導致它們在新型功能器件中的應用受到制約。
在眾多范德華材料中，黑磷（BP）因其獨特的晶體結構和電子性質而備受關注。黑磷是一種具有高度各向異性的半導體材料，其帶隙可以從可見光到中紅外范圍內寬泛調節。這種可調性使黑磷在光電子學，特別是紅外光電子學領域具有巨大潛力。然而，黑磷的光學性質也存在一些限制，例如，由于對稱性要求，黑磷在鋸齒方向上的光發射是嚴格禁止的。此外，如何在黑磷中實現有效的電子-空穴對分離一直是一個挑戰。
據麥姆斯咨詢報道，近日，由南方科技大學陳曉龍副研究員課題組、深圳大學光電工程學院張晗以及中山大學深圳校區Xiang-Long Yu組成的科研團隊在扭轉黑磷異質結構的研究中取得了最新進展。研究團隊探索了扭轉界面對黑磷紅外光電特性的影響。通過構建不同扭轉角度的黑磷異質結構，實現了對電子-空穴對復合和分離過程的顯著調控。這項工作不僅在基礎科學上具有重要意義，也為開發新型紅外光電器件提供了新的思路。這項研究以“”為題，發表在Nature Communications期刊上。
圖1 扭轉黑磷異質結構的應用示意圖
這項研究通過傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）和紅外顯微鏡等先進的表征手段，深入研究了扭轉黑磷的光致發光特性及其體光伏效應（BPVE）。通過對扭轉黑磷的光致發光光譜進行系統性分析，揭示了在扭轉結構中出現的較低光子能量峰及其間接發射特性。這一發現表明，扭轉策略不僅改變了電子-空穴對的重組行為，還為激發光子的發射開辟了新的路徑。
圖2 室溫下純黑磷和扭轉黑磷的中紅外發光特性
圖3?扭轉黑磷中對稱破缺誘導光致發光
研究結果表明，扭轉界面能夠打破黑磷光學躍遷態的對稱性，使得原本在鋸齒方向上對稱性禁止的紅外光發射被激活。這一現象在大扭轉角度（如75°和30°）的樣品中表現得更為明顯。通過偏振分辨光致發光譜測量，研究者觀察到了沿鋸齒方向的顯著光致發光信號。理論計算表明，扭轉界面破壞了導帶和價帶電子態的奇偶對稱性，使得偶極矩算符在鋸齒方向上具有非零分量，從而允許光發射。該研究系統地探討了不同扭轉角度對黑磷光電特性的影響。結果表明，大扭轉角度更有利于觀察到異常的光發射現象，而小扭轉角度則更有利于觀察到顯著的BPVE。這種角度依賴性與理論計算結果一致，計算顯示小扭轉角度下自發極化更強，有利于電子-空穴對的分離。
在此基礎上，研究人員還通過光電流映射和中紅外光電流測試等手段，研究了BPVE現象。作者發現，BPVE可以在不同扭轉角度和厚度的扭轉結構中發生，這一發現為簡化扭轉結構的制備提供了可能性，擴展了研究領域，突破了單層或雙層范德華材料的限制。通過這些表征手段，該研究不僅確認了BPVE的存在，還揭示了其發生機制，為進一步開發基于黑鱗的光電器件打下了基礎。
圖4 扭轉黑磷中BPVE的理論研究
圖5 室溫下觀察到的扭轉黑磷中的BPVE
圖6 室溫下具有不同扭轉角度的扭轉黑磷中的光致發光光譜和BPVE
值得注意的是，與傳統的需要原子級薄的范德華材料不同，這項研究發現這些現象可以在厚度達幾十納米的黑磷薄膜中觀察到。這一發現大大簡化了器件制備過程，提高了可靠性和便利性，為實際應用提供了可能性。
綜上所述，這項研究通過對扭轉黑磷異質結構的深入探討，發現扭轉策略不僅能夠有效地調控電子-空穴對的重組和分離過程，還能打破傳統光電材料的對稱性限制，從而實現新的光致發光特性和BPVE。這一發現強調了材料結構在光電性能中的重要性，提示研究人員在設計新型光電材料時應充分考慮材料的微觀結構及其調控機制。此外，該研究表明，扭轉角度和層厚對光電特性的影響，使研究人員認識到在材料制備過程中，細微的幾何變化可能會引發顯著的光電行為變化。未來，這一策略可推廣至其他范德華材料，進一步拓展其在光電器件、智能探測器和量子發射器等領域的應用潛力。
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53125-4
