【儀表網 研發快訊】近日，北京大學物理學院量子材料科學中心孫棟教授課題組聯合湖南大學材料科學與工程學院潘安練教授、中國科學技術大學物理系曾長淦教授等合作團隊，在二維碲(Te)納米片中實現了高效電可調諧的中紅外(Mid-IR)光致發光(PL)。通過構建雙柵極場效應晶體管器件，研究團隊實現了對PL強度的深度電學調制，并保持了極高的波長穩定性。相關研究成果以《二維碲中電可調諧與線性偏振的中紅外光致發光》(“Electrically Tunable and Linearly Polarized Mid-Infrared Photoluminescence in 2D Tellurium”)為題，于12月26日在《先進材料》(Advanced Materials)在線發表。
電子芯片與光子芯片的集成依賴于與片上互連兼容的高效光源和調制器。中紅外波段(約3—12μm)在大氣窗口傳輸、分子指紋識別和化學傳感等領域具有重要應用價值。然而，現有的窄帶隙半導體(如InAs、HgCdTe)面臨制備成本高、與片上集成兼容性差等挑戰。作為極具潛力的二維中紅外材料，黑磷(BP)雖備受關注，但其環境不穩定性以及柵壓調控下不穩定的發光波長限制了其實際應用。相比之下，元素半導體Te具有窄帶隙(~0.36eV)、高環境穩定性及獨特的螺旋鏈狀晶體結構，是構建下一代中紅外光電器件的理想候選材料。
基于此，研究團隊通過構建石墨/六方氮化硼/碲(Gr/h-BN/Te)雙柵極場效應器件，實現了對PL強度的精準電調諧。通過柵極電壓可對~3.4μm處的中紅外PL信號實現從增強(約132%)到幾乎完全猝滅(約0.4%)的深度、寬范圍調制。通過解耦垂直電場和靜電摻雜效應，闡明了兩種不同的調控機制。靜電摻雜(調控載流子濃度)是主導PL強度雙向調制的關鍵，而垂直電場則無論極性如何，均通過誘導能帶彎曲、促進載流子空間分離來抑制PL強度。
尤為重要的是，研究發現二維Te的發射波長在電學調制過程中表現出極高的穩定性。實驗測得其發射波長偏移小于1meV，這與黑磷中由于巨Stark效應導致的顯著帶隙削減形成了鮮明對比。第一性原理計算證實這源于Te在導帶底和價帶頂高度局域化的電子波函數，有效地屏蔽了外電場對能帶結構的影響。此外，二維Te的PL信號展現出垂直于螺旋鏈(c軸)方向的線性偏振特性(偏振度>98%)，并且該特性在柵極電壓的調控下保持不變。
基于上述獨特的物理性質，研究團隊進一步展示了高速電光開關和可編程邏輯門原型。通過利用雙柵極或激發光作為獨立輸入端，成功構建了“與門”(AND)和“或非門”(NOR)邏輯運算，并演示了基于ASCII編碼的中紅外光信息加密傳輸方案。該工作不僅為理解和調控二維Te的光電特性提供了清晰的物理圖像，也引入了一類高性能的片上中紅外電光調制器，為未來在分子傳感、光通信和醫療診斷領域的應用奠定了基礎。
本論文第一作者為北京大學與湖南大學聯合培養博士研究生梁德瑯，孫棟、潘安練和曾長淦為共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持。
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