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在短波和中波紅外范圍(1到8微米)工作的室溫光電器件，可以應用于眾多領域。為了達到特定應用所需的工作波長范圍，需要在生長過程中使用具有不同帶隙(例如，超晶格或異質(zhì)結(jié)構(gòu))的材料組合或半導體合金成分的變化。然而，這些材料制作復雜，且制作后的操作范圍是固定的。雖然光電子器件中工作波長具有寬范圍、有源和可逆可調(diào)等特點，是一個非常理想的特性，但目前還沒有開發(fā)出這樣的平臺。

在此，來自美國加州大學伯克利分校的Ali Javey等研究者，提出黑磷可作為理想的候選材料，展示了高性能的具有主動可變光譜的室溫紅外光電子學。相關論文以題為“Actively variable-spectrum optoelectronics with black phosphorus”于2021年08月11日發(fā)表在Nature上。

細心的讀者可能發(fā)現(xiàn)了，這是黑磷再次登上Nature了（Nature：50年前的理論模型，今天實驗上終于觀測到），而距離上一次僅僅過去一周。由此可見，二維材料，似乎蘊含著無窮的“寶藏”，等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

由于其褶皺晶格結(jié)構(gòu)，黑磷(bP)顯示出獨特的應變依賴特性，包括對應變高度敏感的帶隙、帶隙的反常應變依賴、可調(diào)諧的范德華相互作用以及壓電性。由于bP的膜性質(zhì)，不需要選擇性的變薄和玻璃過程，因此，應力可以以可逆的方式應用于bP。多層bP的帶隙，還跨越了對光通信、熱成像、健康監(jiān)測、光譜學和氣體傳感需求迅速增長的紅外區(qū)域。此外，bP在所有厚度下的低俄歇復合速度和直接帶隙有利于高效的光電應用。然而，盡管人們對開發(fā)主動可調(diào)諧紅外光電子器件有相當大的興趣，但在這方面并沒有取得實質(zhì)性進展。

在此，研究者利用bP的應變可調(diào)帶隙，來演示了在室溫下工作于紅外波段的主動變譜光電器件。采用該方法，覆蓋2.3 μm到5.5 μm的bP帶隙通過應變表現(xiàn)出1.70 μm %^?1的調(diào)制速率，這是直接帶隙半導體的最高值。從而使得在不犧牲其性能的情況下，可以任意在發(fā)光和光探測設備中對其光譜范圍進行寬調(diào)制。此外，研究者還在柔性襯底上使用bP-MoS₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了連續(xù)可逆的中波長紅外電致發(fā)光。研究者還通過施加應變，擴大了高響應bP光電探測器的檢測范圍。最后，研究者利用該平臺演示了多路非色散紅外氣體傳感，即使用單一光源檢測多種氣體(如CO₂、CH₄和H₂O)。在保持高性能的同時，該工作彌補了技術上的差距，為滿足光電應用對發(fā)射和探測光譜的不同要求，提供了一種潛在的方法。

這個二維材料來頭不小，連續(xù)兩周上Nature

圖1. 黑磷的應變可調(diào)帶隙

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圖2. bP中帶隙的應變誘導修飾

圖3. 基于bP-MoS₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)的應變可調(diào)MWIR LEDs

圖4. 用應變可調(diào)LEDs的NDIR氣體傳感

綜上所述，研究者利用bP的應變可調(diào)帶隙，在室溫下研制了主動可調(diào)紅外光電器件，包括LEDs和光電探測器。這里開發(fā)的AVSO設備具有前所未有的多功能性，因此，在光通信、化學傳感和光譜學等需要可調(diào)諧光譜的領域具有重要意義。為此，研究者演示了這種可調(diào)諧光電平臺的一個應用，即用單個器件進行多路氣體傳感。通過擴展這種方法，人們可以潛在地探索壓電基板上器件的集成或微機電系統(tǒng)(MEMS)的使用，盡管有許多處理挑戰(zhàn)需要克服。

此外，通過襯底工程進一步增加施加在bP上的壓縮應變量，有可能擴展到長波紅外波長。該有源應變調(diào)諧方案，可能也適用于其他2D材料，為跨越電磁頻譜實現(xiàn)光譜可調(diào)諧的光電子學提供了一條途徑。

文獻信息

Kim, H., Uddin, S.Z., Lien, DH.?et al.?Actively variable-spectrum optoelectronics with black phosphorus.?Nature?596,?232–237 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03701-1

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03701-1

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