北理工在二維半導體熱電子摻雜方面取得重要進展
發布日期：2021-07-26 供稿：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數：
日前，北京理工大學物理學院張向東教授課題組青年教師陳宇輝研究員與新西蘭維多利亞惠靈頓大學、奧塔哥大學，以及北京大學和西湖大學的研究者開展合作，在表面等離子體光學腔和二維半導體二硫化鎢的復合體系上，通過利用光和物質強耦合效應，在實驗上實現了對二硫化鎢的高效熱電子摻雜，大幅改變了二硫化鎢原有的帶隙，相關研究成果發表在國際頂級期刊《自然·通訊》上。
能帶理論是半導體技術的重要基礎之一，對能帶的精細調控引發了許許多多的技術革命，其中不僅包括了二極管，三極管，大規模集成電路和激光器等尖端科技，還包括太陽能電池，CCD等和我們日常生活息息相關的應用。因此，開發各種新手段去實現更為有效的帶隙調節一直都是半導體研究的重點。
傳統上，我們可以通過化學摻雜，施加電壓，或者是光學泵浦的方法來改變半導體內的電荷環境，從而實現帶隙的改變。我們在最近的研究工作中發現，如果把二維半導體二硫化鎢放到納米尺度的表面等離子體光學諧振腔內，可以實現光和物質的強耦合效應，從而形成一種一半光一半物質的雜化狀態(hybrid state of half-light and half-matter)。當體系處在這樣一種雜化狀態時，能量會在二硫化鎢和表面等離激元腔中來回多次地發生相干轉移，因而體系會同時具有半導體和光學腔的物理特性。而每當雜化態的能量以表面等離激元的形式存在時，金屬中的自由電子都會被等離激元激發到更高的能量，從而形成了我們所說的熱電子。這些熱電子具有很高的的能量，可以越過勢壘，注入到二維半導體中，從而導致二硫化鎢的能帶結構發生重整化。在這一過程中，無論是熱電子在金屬材料中的產生，還是熱電子對半導體的注入，都是伴隨著能量在表面等離激元和二硫化鎢的相干轉移過程中發生的，我們因而把這樣一個摻雜過程稱為相干摻雜過程。
基于這樣的技術思想，我們利用自組裝的方法制備了二氧化硅光子晶體，通過在其表面蒸鍍銀金屬薄膜，制備出表面等離子光子晶體腔；然后再將二維半導體二硫化鎢轉移到光子晶體表面。進一步地，在室溫條件下，使用中心波長為400nm、功率為12 μJ/cm2的飛秒脈沖激發，我們觀測到了二硫化鎢帶隙移動了550 meV。相比于傳統的光學泵浦方式，摻雜效果得到了兩個數量級的增強（以往的實驗需要在3400μJ/cm2的條件下才能觀測到類似的帶隙重整化[Nat. Photonics 9, 466–470 (2015)]）。
圖1. （a）實驗裝置圖。（b）由表面等離激元和二維半導體組成復合體系的瞬態吸收譜。由于強耦合效應，二硫化鎢原本位于2.1eV處的吸收峰劈裂為兩個吸收飽和峰。帶隙重整化導致了在1.6 eV處出現了新的光學增益峰。（c）體系中激子和極化子的衰減曲線。（c）和（d）結構中的場增強分布和熱電子濃度的空間分布圖。
北京理工大學為該工作的第一單位，物理學院陳宇輝研究員和新西蘭維多利亞惠靈頓大學RannieTamming為該工作共同第一作者，奧塔哥大學丁伯陽博士和西湖大學仇旻教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金，北京理工大學青年教師學術啟動計劃以及北京理工大學青年科技創新計劃的支持。
相關文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24667-8
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