北京大学物理学院​孙栋课题组与合作者在二维碲中实现电可调谐的中红外光致发光

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心孙栋教授课题组联合湖南大学材料科学与工程学院潘安练教授、中国科学技术大学物理系曾长淦教授等合作团队，在二维碲（Te）纳米片中实现了高效电可调谐的中红外（Mid-IR）光致发光（PL）。通过构建双栅极场效应晶体管器件，研究团队实现了对PL强度的深度电学调制，并保持了极高的波长稳定性。相关研究成果以《二维碲中电可调谐与线性偏振的中红外光致发光》（“Electrically Tunable and Linearly Polarized Mid-Infrared Photoluminescence in 2D Tellurium”）为题，于12月26日在《先进材料》（Advanced Materials）在线发表。

电子芯片与光子芯片的集成依赖于与片上互连兼容的高效光源和调制器。中红外波段（约3—12μm）在大气窗口传输、分子指纹识别和化学传感等领域具有重要应用价值。然而，现有的窄带隙半导体（如InAs、HgCdTe）面临制备成本高、与片上集成兼容性差等挑战。作为极具潜力的二维中红外材料，黑磷（BP）虽备受关注，但其环境不稳定性以及栅压调控下不稳定的发光波长限制了其实际应用。相比之下，元素半导体Te具有窄带隙（~0.36eV）、高环境稳定性及独特的螺旋链状晶体结构，是构建下一代中红外光电器件的理想候选材料。

基于此，研究团队通过构建石墨/六方氮化硼/碲（Gr/h-BN/Te）双栅极场效应器件，实现了对PL强度的精准电调谐。通过栅极电压可对~3.4μm处的中红外PL信号实现从增强（约132%）到几乎完全猝灭（约0.4%）的深度、宽范围调制。通过解耦垂直电场和静电掺杂效应，阐明了两种不同的调控机制。静电掺杂（调控载流子浓度）是主导PL强度双向调制的关键，而垂直电场则无论极性如何，均通过诱导能带弯曲、促进载流子空间分离来抑制PL强度。

尤为重要的是，研究发现二维Te的发射波长在电学调制过程中表现出极高的稳定性。实验测得其发射波长偏移小于1meV，这与黑磷中由于巨Stark效应导致的显著带隙削减形成了鲜明对比。第一性原理计算证实这源于Te在导带底和价带顶高度局域化的电子波函数，有效地屏蔽了外电场对能带结构的影响。此外，二维Te的PL信号展现出垂直于螺旋链（c轴）方向的线性偏振特性（偏振度>98%），并且该特性在栅极电压的调控下保持不变。

基于上述独特的物理性质，研究团队进一步展示了高速电光开关和可编程逻辑门原型。通过利用双栅极或激发光作为独立输入端，成功构建了“与门”（AND）和“或非门”（NOR）逻辑运算，并演示了基于ASCII编码的中红外光信息加密传输方案。该工作不仅为理解和调控二维Te的光电特性提供了清晰的物理图像，也引入了一类高性能的片上中红外电光调制器，为未来在分子传感、光通信和医疗诊断领域的应用奠定了基础。

Te纳米片的晶体结构与PL特性表征。（a）Te纳米片的晶体结构示意图。（b）双栅器件结构示意图：少层石墨和硅分别作为顶栅和底栅，用于电学特性测试与可调PL测量。（c）晶体管的源漏电流（I_DS）随顶栅（红线）和底栅（蓝线）电压变化的测量结果，其中V_DS=0.1V。插图为双栅器件的光学图像。比例尺：30μm。（d）1064nm激光激发下的PL过程示意图及Te的能带结构。（e）PL光谱随温度（25K至300K）变化的等高线图，黑色虚线标注峰值位置。（f）PL光谱的半高宽、峰值位置及积分强度随温度的变化曲线。蓝色实线为基于修正的Manoogian–Leclerc模型对温度依赖带隙的拟合结果

本论文第一作者为北京大学与湖南大学联合培养博士研究生梁德琅，孙栋、潘安练和曾长淦为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。