Onderzoekers hebben optisch en elektrisch aangedreven mid-infrarood (MIR) lichtemitterende apparaten gerealiseerd in een eenvoudige maar nieuwe van der Waals (vdW) heterostructuur opgebouwd uit dunne-film zwarte fosfor (BP) en overgangsmetaal dichalcogeniden (TMDC). Dit werk suggereert dat vdW heterostructuur een veelbelovend platform is voor mid-infrarood onderzoek en toepassingen.

MIR-spectra zijn op grote schaal gebruikt voor thermische beeldvorming, molecuul karakteriseringen, en communicatie. Onder MIR-technologieën, MIR light-emitting diodes (LED) tonen voordelen van smalle lijnbreedte, laag energieverbruik, en draagbaarheid. Sinds de ontdekking van dunnefilm BP in 2014, het heeft veel aandacht gekregen vanwege zijn unieke eigenschappen, zoals in-plane anisotropie, hoge dragermobiliteit, en afstembare bandgap, enzovoort., waardoor BP een veelbelovend materiaal is voor toepassingen in de elektronica en opto-elektronica.

BP heeft een dikte-afhankelijke (0,3-2 eV) bandgap, en de grootte van de bandgap kan verder worden afgestemd door het introduceren van een extern elektrisch veld of chemische dotering. Om deze redenen, dunne-film BP is beschouwd als een ster MIR-materiaal. Eerder onderzoek richtte zich voornamelijk op de luminescentie-eigenschappen van monolaag en enkele laag BP-vlokken (met laagnummer <5 lagen). Echter, de laatste rapporten geven aan dat dunnefilm BP (> 7 lagen) vertoont opmerkelijke fotoluminescentie-eigenschappen in het MIR-gebied.

In een verslag voor het tijdschrift Licht:wetenschap en toepassingen , onderzoekers stelden een nieuwe vdW-heterostructuur voor voor MIR-lichtemissietoepassingen, opgebouwd uit BP en TMDC (zoals WSe ₂ en MoS ₂ ). Volgens de DFT-berekening, de BP-WSe ₂ heterostructuur vormt een type-I banduitlijning. Vandaar, de elektronen- en gatenparen in de monolaag WSe ₂ kan efficiënt worden getransporteerd naar de smalle bandgap BP, waardoor de MIR-fotoluminescentie van dunne-film BP wordt verbeterd. Een verbeteringsfactor van ~200% werd bereikt in de 5 nm dikke BP-WSe ₂ heterostructuur.

Anderzijds, de BP-MoS ₂ heterostructuur vormt een type II banduitlijning. Een natuurlijke PN-overgang wordt gevormd op het grensvlak tussen p-type BP en n-type MoS ₂ . Wanneer een positieve spanningsbias wordt toegepast tussen BP en MoS ₂ (Vds> 0), elektronen in de geleidingsband van MoS ₂ kan de barrière oversteken en de geleidingsband van BP binnengaan. Tegelijkertijd, de meeste gaten zijn geblokkeerd op het grensvlak binnen BP vanwege de grote Schottky-barrière van de valentieband. Als resultaat, een efficiënte MIR-elektroluminescentie wordt bereikt in de BP-MoS ₂ heterostructuur.

De BP-TMDC vdW heterostructuren hebben veel voordelen, zoals een eenvoudig fabricageproces, hoge efficiëntie, en goede compatibiliteit met siliciumtechnologie. Vandaar, deze technologie biedt een veelbelovend platform voor het onderzoeken van silicium-2-D hybride opto-elektronische systemen.