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瑞士光子實驗室Lukas Novotny課題組--石墨烯/六方氮化硼/石墨烯隧道結的共振光發射

單層石墨烯具有許多卓越的特性，但由于缺乏帶隙，因此不適合作為發光器件的材料。這種限制可以通過石墨烯層的受控堆疊來克服。利用石墨烯獨特的狄拉克錐帶結構，我們展示了來自石墨烯/六方氮化硼 (h-BN)/石墨烯隧道結的扭曲控制共振光發射。無論石墨烯電極之間的晶體排列如何，我們都觀察到光發射。幾乎對齊的器件在光學和電學特性方面都表現出明顯的共振特征，這些特征在扭轉角 θ ?3° 時會迅速消失。這些實驗結果可以通過理論模型很好地解釋，其中光譜光子發射峰歸因于光子輔助動量守恒電子隧穿。我們對齊器件中的共振峰可以在近紅外范圍內進行超過 0.2 eV 的光譜調諧，使石墨烯/h-BN/石墨烯隧道結成為片上光電子學的潛在候選者。

圖 1. (a) 扭曲控制的 Gr/h-BN/Gr 發光隧道結示意圖。光子發射源自由施加在器件上的偏置電壓 V_B 控制的光子輔助非彈性電子隧穿。 (b) 不同裝置對不同扭轉角θ測量的光譜響應的演變；近紅外范圍內的共振發射峰變寬并最終消失。 (c) 發光的假色電荷耦合器件 (CCD) 圖像，表明兩個石墨烯電極之間的整個重疊區域具有均勻的強度分布（θ= 0.5°和 V_B = 2.3 V）。

圖 2. (a) 扭轉角 θ 轉化為頂部（綠色）和底部（藍色）石墨烯電極的狄拉克點之間的波矢失配 ΔK。 (b) 施加在器件上的偏置電壓 VB 引入了能量偏移 Φ 和費米能級位移 ΔE_F。 (c) 彈性共振條件。對于 θ ? 3°，狄拉克錐的相互對齊導致彈性隧道效應的局部最大值。 (d) 非彈性動量守恒共振條件。由于光子發射，錐體到錐體躍遷涉及 ?ωR = Φ 的能量下降。該過程在 θ = 0° (ΔK = 0) 時最大化。

圖 3. Gr/h-BN/Gr 器件的電氣特性。 (a) 三個隧道結器件（8 L h-BN 和 θ ≈ 0.5°、1.1° 和 2.9°）的 I-V 特性，顯示NDC峰值向更高電壓移動以增加θ。 (b) 具有9 L h-BN 勢壘的未對準器件的測量 I-V 特性（品紅色）以及與 eq₁（黑色）對應的擬合。所有器件均在室溫 (T = 300 K) 的環境條件下測量。面板a和b中的實驗曲線針對串聯電阻進行了校正。曲線的對稱性支持我們的初始摻雜接近零的假設。 (c) 使用方程 (a) 中的實驗曲線進行數值擬合，從中提取扭曲角θ。用于θ提取的電壓值 VPeakused 在面板a和c中用虛線表示。 (d) 幾乎對齊的器件的電流密度是彈性和非彈性貢獻的總和。 (e-g) 對NDC 峰值有貢獻的狄拉克錐對齊。兩個狄拉克錐體之間的交集從 (e) VB< VPeakinto 的兩條雙曲線 (f) VB≈ VPeakand 的直線，最后演變為 (g) VB> VPeak 的橢圓。

圖 4. Gr/h-BN/Gr 隧道結的光學特性。 (a)幾乎對齊的器件 (θ≈0.5°) 的光子發射光譜及其對偏置電壓 VB 的依賴性。每個光譜都表現出以 ?ωR= Φ（菱形）為中心的特征共振峰和截止點 ?ωcut= eVB（圓形）。為清晰起見，對光譜進行了偏移，虛線表示相應的零電平。 (b) 對具有不同扭轉角 θ 和相同偏置電壓 VB≈ 2.4 V 的器件測量的光子發射光譜。 θ 的增加導致光譜峰的分裂，當 θ > 5° 時，光譜峰消失。 (c)未對準裝置的光子發射光譜 (θ > 5°)。未對準的設備在近紅外區域沒有共振。面板 a 和 c 中的插圖是 CCD 圖像，顯示整個 Gr-Gr 重疊區域（VB≈2.3 V）的均勻光強度分布。比例尺 = 1 0μm。所有器件均在室溫 (T = 300 K) 的環境條件下測量。 (d-f) a-c 面板中具有相同θ和VBas的器件的計算光子發射光譜。圖d中的插圖說明了動量守恒電子隧穿 (θ≈0°) 的能帶排列。紅色箭頭表示與共振光發射相關的轉變，藍色箭頭表示負責發射平臺的轉變。面板e中的插圖顯示了輕微未對準設備的帶對齊。紅色和綠色箭頭長度不等，負責峰分裂。面板f中的插圖說明了未滿足動量守恒的未對準器件的帶對齊和光子輔助躍遷。

相關科研成果由瑞士光子實驗室Lukas Novotny等人于2021年發表在Nano Letter（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02913）上。原文：Resonant Light Emission from Graphene/Hexagonal Boron Nitride/Graphene Tunnel Junctions。

轉自《石墨烯研究》公眾號



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