二維半導(dǎo)體，因其獨特的光物理特性而引起人們的廣泛關(guān)注，其中，包括大激子束縛能和強門可調(diào)諧性，這是由于二維半導(dǎo)體的維數(shù)降低而引起的。盡管人們付出了相當(dāng)大的努力，但在原始2D半導(dǎo)體的基本光物理和實際設(shè)備性能之間仍然存在脫節(jié)，這經(jīng)常受到許多外在因素的困擾，包括半導(dǎo)體-接觸界面的化學(xué)紊亂。
在此，來自美國加州大學(xué)洛杉磯分校的Justin R. Caram & 段鑲鋒等研究者，通過使用具有最小界面紊亂的范德華接觸，抑制了接觸誘導(dǎo)的Shockley-Read-Hall復(fù)合(肖克萊里德霍爾復(fù)合)，并在二維半導(dǎo)體二極管中實現(xiàn)了幾乎由固有光物理決定的器件性能。相關(guān)論文以題為“Approaching the intrinsic exciton physics limit in two-dimensional semiconductor diodes”于2021年11月17日發(fā)表在Nature上。
納米半導(dǎo)體，如二維(2D)材料和膠體量子點，具有較弱的介電屏蔽和較強的約束效應(yīng)，導(dǎo)致異常大的激子(電子空穴準(zhǔn)粒子)結(jié)合能(EB > 100 meV)，因此，即使在室溫下，激子也常常控制著納米級光電器件的性能。
這與傳統(tǒng)半導(dǎo)體(例如砷化鎵和硅)相反，在傳統(tǒng)半導(dǎo)體中，自由載流子通常由于更小的激子束縛能(EB?<?kBT?≈?26?meV，其中kB是玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度)。激子的主導(dǎo)作用可能導(dǎo)致獨特的納米器件特性。例如，電子-電子/空穴和空穴-電子/空穴的俄歇復(fù)合現(xiàn)在是一個兩體(電荷-激子)過程，線性依賴于電子或空穴密度。
此外，固有的較低的維數(shù)自然地導(dǎo)致擴(kuò)散物種的多體散射概率增強，導(dǎo)致較短的擴(kuò)散長度和較低的器件效率。然而，盡管激子在納米半導(dǎo)體中普遍存在，但由于接觸或介質(zhì)界面的非理想性造成的嚴(yán)重外部損失，直接將光電器件的特性與激子行為聯(lián)系起來仍然具有挑戰(zhàn)性。
在此，研究者展示了具有近乎理想金屬-半導(dǎo)體接口的范德瓦爾斯(vdW)接觸式二維二極管的近本征激子光電器件性能。通過將光電子學(xué)研究與時間分辨光致發(fā)光(TRPL)測量相結(jié)合，來探測電荷密度依賴的光伏性能，研究者揭示了激子擴(kuò)散和二體激子電荷奧杰復(fù)合，在決定2D二極管性能中的基本作用，并證明了一個大大增強的光電流接近本征激子光物理極限。
研究者利用分閘幾何結(jié)構(gòu)中的靜電場，獨立調(diào)制二硒化鎢二極管中的電子和空穴摻雜，發(fā)現(xiàn)在低電荷密度的短路光電流中有一個不尋常的峰值。時間分辨光致發(fā)光顯示，由于激子-電荷俄歇復(fù)合的增加，激子壽命從電荷中性狀態(tài)下的800皮秒大幅降低到高摻雜密度下的50皮秒。
綜上所述，研究者發(fā)現(xiàn)激子擴(kuò)散限制模型，很好地解釋了電荷密度依賴的短路光電流，這一結(jié)果進(jìn)一步通過掃描光電流顯微鏡得到證實。
因此，研究者展示了激子擴(kuò)散和兩體激子-電荷俄格復(fù)合，在二維器件中的基本作用，并強調(diào)了二維半導(dǎo)體的固有光物理學(xué)，可以用于創(chuàng)建更高效的光電器件。
圖1. 原子薄WSe2 p-n二極管具有原子清潔vdW觸點
圖2. 2D WSe2 p-n二極管的摻雜相關(guān)光電性能
據(jù)悉，這是段鑲鋒教授繼9月16日的Science之后，僅僅過了一個月，又發(fā)了一篇Nature。至此，截止2021年11月17日，段鑲鋒教授在2021年，已經(jīng)發(fā)表了3篇Nature和1篇Science，剩余兩篇如下：
段鑲鋒，1992年考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班，1996年獲郭沫若獎學(xué)金，1997年獲學(xué)士學(xué)位，1998年獲得哈佛大學(xué)全額獎學(xué)金赴美深造，1999年和2000年兩度獲得“MRS全美杰出研究生獎”，2001年獲得“全美發(fā)明家競賽大獎”，同年，他和另一位科大學(xué)子黃昱合作完成的納米成果被Science評為2001年世界十大科技進(jìn)展，并名列榜首，2002年獲得博士學(xué)位，2003年他被美國Technology Review評為當(dāng)年的“世界百位杰出青年發(fā)明家”之一。
段鑲鋒博士在Nature、Science等頂尖國際權(quán)威刊物上發(fā)表過多篇論文，總被引次數(shù)超過77212次，并擁有超過40項美國專利?，F(xiàn)任職于著名的納米技術(shù)公司Nanosys，從事納米科技研究和產(chǎn)品開發(fā)。
2011年2月10日，全球領(lǐng)先的專業(yè)信息供應(yīng)商湯森路透集團(tuán)（Thomson Reuters）發(fā)布了2000-2010年全球頂尖一百化學(xué)家名人堂榜單（TOP100CHEMISTS,2000-2010），這份依據(jù)過去10年中所發(fā)表研究論文的影響因子而確定的最優(yōu)秀的100名化學(xué)家榜單中，共有12位華人科學(xué)家入選，美國加州大學(xué)洛杉磯分校助理教授段鑲鋒排名全球第41位，華人第7位。湯森路透集團(tuán)于2011年3月2日發(fā)布了2000-2010年全球頂尖一百材料學(xué)家名人堂榜單，在這份依據(jù)過去10年中所發(fā)表研究論文的引用率而確定的最優(yōu)秀的100名材料學(xué)家榜單中，共有15位華人科學(xué)家入選，段鑲鋒（Xiangfeng DUAN），全球總排名第20位，華人第7位。
研究領(lǐng)域包括：納米材料、納米器件及其在未來電子、能源技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)科學(xué)中的應(yīng)用等。
Chen, P., Atallah, T.L., Lin, Z.?et al.?Approaching the intrinsic exciton physics limit in two-dimensional semiconductor diodes.?Nature?(2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03949-7
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03949-7#citeas
http://xduan.chem.ucla.edu/?q=content/xiangfeng-duan-ph-d
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