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我院在二维半导体热电子掺杂方面取得重要进展

来源:    发布日期:2021年07月26日

日前,北京理工大学物理学院张向东教授课题组青年教师陈宇辉研究员与新西兰维多利亚惠灵顿大学、奥塔哥大学,以及北京大学和西湖大学的研究者开展合作,在表面等离子体光学腔和二维半导体二硫化钨的复合体系上,通过利用光和物质强耦合效应,在实验上实现了对二硫化钨的高效热电子掺杂,大幅改变了二硫化钨原有的带隙,相关研究成果发表在国际顶级期刊《自然·通讯》上。

能带理论是半导体技术的重要基础之一,对能带的精细调控引发了许许多多的技术革命,其中不仅包括了二极管,三极管,大规模集成电路和激光器等尖端科技,还包括太阳能电池,CCD等和我们日常生活息息相关的应用。因此,开发各种新手段去实现更为有效的带隙调节一直都是半导体研究的重点。

传统上,我们可以通过化学掺杂,施加电压,或者是光学泵浦的方法来改变半导体内的电荷环境,从而实现带隙的改变。我们在最近的研究工作中发现,如果把二维半导体二硫化钨放到纳米尺度的表面等离子体光学谐振腔内,可以实现光和物质的强耦合效应,从而形成一种一半光一半物质的杂化状态(hybrid state of half-light and half-matter)。当体系处在这样一种杂化状态时,能量会在二硫化钨和表面等离激元腔中来回多次地发生相干转移,因而体系会同时具有半导体和光学腔的物理特性。而每当杂化态的能量以表面等离激元的形式存在时,金属中的自由电子都会被等离激元激发到更高的能量,从而形成了我们所说的热电子。这些热电子具有很高的的能量,可以越过势垒,注入到二维半导体中,从而导致二硫化钨的能带结构发生重整化。在这一过程中,无论是热电子在金属材料中的产生,还是热电子对半导体的注入,都是伴随着能量在表面等离激元和二硫化钨的相干转移过程中发生的,我们因而把这样一个掺杂过程称为相干掺杂过程。

基于这样的技术思想,我们利用自组装的方法制备了二氧化硅光子晶体,通过在其表面蒸镀银金属薄膜,制备出表面等离子光子晶体腔;然后再将二维半导体二硫化钨转移到光子晶体表面。进一步地,在室温条件下,使用中心波长为400nm、功率为12 μJ/cm2的飞秒脉冲激发,我们观测到了二硫化钨带隙移动了550 meV。相比于传统的光学泵浦方式,掺杂效果得到了两个数量级的增强(以往的实验需要在3400μJ/cm2的条件下才能观测到类似的带隙重整化[Nat. Photonics 9, 466–470 (2015)])。

图1. (a)实验装置图。(b)由表面等离激元和二维半导体组成复合体系的瞬态吸收谱。由于强耦合效应,二硫化钨原本位于2.1eV处的吸收峰劈裂为两个吸收饱和峰。带隙重整化导致了在1.6 eV处出现了新的光学增益峰。(c)体系中激子和极化子的衰减曲线。(c)和(d)结构中的场增强分布和热电子浓度的空间分布图。

北京理工大学为该工作的第一单位,物理学院陈宇辉研究员和新西兰维多利亚惠灵顿大学RannieTamming为该工作共同第一作者,奥塔哥大学丁伯阳博士和西湖大学仇旻教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金,北京理工大学青年教师学术启动计划以及北京理工大学青年科技创新计划的支持。

相关文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-24667-8