蘇州納米所張凱團(tuán)隊(duì)Nature Communications：基于帶邊外爾節(jié)點(diǎn)的偏振可調(diào)諧中紅外發(fā)光器件
偏振態(tài)是光子的一個(gè)重要的自由度，對其調(diào)諧與操縱在光通信、信號加密與量子計(jì)算等領(lǐng)域扮演著核心角色。半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光偏振態(tài)通常由材料固有的晶體對稱性和光學(xué)躍遷選擇定則所固定，難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、主動(dòng)的調(diào)控。近期，中國科學(xué)院蘇州納米所張凱研究員、王俊勇項(xiàng)目研究員及合作者提出具有新奇能帶特性的窄帶隙二維半導(dǎo)體可為實(shí)現(xiàn)發(fā)光偏振態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)控提供全新路徑。
以具有能帶交叉特性的外爾半導(dǎo)體碲為例，其導(dǎo)帶底存在一個(gè)受拓?fù)浔Ｗo(hù)的能帶交叉點(diǎn)，即外爾節(jié)點(diǎn)。這一特性將拓?fù)淠軒ЫY(jié)構(gòu)與載流子的輻射復(fù)合過程直接耦合，從根本上改變了光與物質(zhì)的相互作用模式。通過理論計(jì)算表明，外爾節(jié)點(diǎn)在導(dǎo)帶底處形成了一個(gè)“偏振奇點(diǎn)”：在這一點(diǎn)上，發(fā)光偏振態(tài)對載流子的占據(jù)狀態(tài)極其敏感，任何微小的能量或動(dòng)量偏移都會(huì)導(dǎo)致偏振態(tài)的變化，這為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控提供了物理基礎(chǔ)。
基于此獨(dú)特物性，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了石墨烯/碲/石墨烯范德華異質(zhì)結(jié)中紅外電致發(fā)光器件。該結(jié)構(gòu)具有較低的寄生電阻，能夠在較寬的電流密度范圍內(nèi)高效工作。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在低電流注入下，載流子主要在布里淵區(qū)H點(diǎn)（即外爾節(jié)點(diǎn)所在處）附近復(fù)合，發(fā)射出偏振度接近100%的高度線偏振光。隨著注入電流密度的增大，高能“熱載流子”效應(yīng)顯著，載流子復(fù)合區(qū)域在倒空間中從H點(diǎn)向外擴(kuò)展。此時(shí)，不同動(dòng)量點(diǎn)對發(fā)光偏振的貢獻(xiàn)發(fā)生變化，導(dǎo)致器件的整體發(fā)光偏振度從～100%連續(xù)調(diào)諧至36%。第一性原理計(jì)算進(jìn)一步證實(shí)了偏振可調(diào)性源于外爾節(jié)點(diǎn)附近的能帶填充效應(yīng)及熱載流子主導(dǎo)的躍遷重分布。
該研究首次實(shí)驗(yàn)演示了基于“帶邊外爾節(jié)點(diǎn)偏振奇點(diǎn)”的動(dòng)態(tài)可調(diào)偏振光源，為探索外爾點(diǎn)附近的光與物質(zhì)相互作用及中紅外拓?fù)涔怆娮悠骷_辟了新的技術(shù)路徑。相關(guān)成果以Dynamically tunable polarized mid-infrared light-emitting diodes from polarization singularities in a band-edge Weyl node為題發(fā)表在Nature Communications上。論文第一作者為中國科學(xué)院蘇州納米所博士后張君蓉，通訊作者為張凱研究員和王俊勇項(xiàng)目研究員，蘇州實(shí)驗(yàn)室、東南大學(xué)等單位為該工作的合作完成方。該研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省重大科技專項(xiàng)、蘇州市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目及中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目資助，并得到了中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）及納米加工平臺的重要支持。
圖1 窄帶隙二維半導(dǎo)體碲的帶邊外爾節(jié)點(diǎn)及其中紅外熒光
圖2. 窄帶隙二維半導(dǎo)體碲的偏振可調(diào)諧中紅外發(fā)光器件
圖3. 發(fā)光偏振度動(dòng)態(tài)調(diào)控的理論計(jì)算與機(jī)制分析
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