扭转的范德华（vdW）异质结构是现代材料科学中的一个重要研究方向，因其在光电器件、量子材料等领域的应用潜力而受到广泛关注。这种结构通过原子级锐利的界面实现了对电子-空穴对辐射、分离和收集过程的操控，与传统的半导体材料相比，范德华异质结构展现出可调节的光学和电学特性，以及极高的内部发光效率。然而，传统材料在带隙调控、光致发光（PL）和光伏效应等方面仍存在限制，导致它们在新型功能器件中的应用受到制约。
在众多范德华材料中，黑磷（BP）因其独特的晶体结构和电子性质而备受关注。黑磷是一种具有高度各向异性的半导体材料，其带隙可以从可见光到中红外范围内宽泛调节。这种可调性使黑磷在光电子学，特别是红外光电子学领域具有巨大潜力。然而，黑磷的光学性质也存在一些限制，例如，由于对称性要求，黑磷在锯齿方向上的光发射是严格禁止的。此外，如何在黑磷中实现有效的电子-空穴对分离一直是一个挑战。
据麦姆斯咨询报道，近日，由南方科技大学陈晓龙副研究员课题组、深圳大学光电工程学院张晗以及中山大学深圳校区Xiang-Long Yu组成的科研团队在扭转黑磷异质结构的研究中取得了最新进展。研究团队探索了扭转界面对黑磷红外光电特性的影响。通过构建不同扭转角度的黑磷异质结构，实现了对电子-空穴对复合和分离过程的显著调控。这项工作不仅在基础科学上具有重要意义，也为开发新型红外光电器件提供了新的思路。这项研究以“”为题，发表在Nature Communications期刊上。
图1 扭转黑磷异质结构的应用示意图
这项研究通过傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和红外显微镜等先进的表征手段，深入研究了扭转黑磷的光致发光特性及其体光伏效应（BPVE）。通过对扭转黑磷的光致发光光谱进行系统性分析，揭示了在扭转结构中出现的较低光子能量峰及其间接发射特性。这一发现表明，扭转策略不仅改变了电子-空穴对的重组行为，还为激发光子的发射开辟了新的路径。
图2 室温下纯黑磷和扭转黑磷的中红外发光特性
图3 扭转黑磷中对称破缺诱导光致发光
研究结果表明，扭转界面能够打破黑磷光学跃迁态的对称性，使得原本在锯齿方向上对称性禁止的红外光发射被激活。这一现象在大扭转角度（如75°和30°）的样品中表现得更为明显。通过偏振分辨光致发光谱测量，研究者观察到了沿锯齿方向的显著光致发光信号。理论计算表明，扭转界面破坏了导带和价带电子态的奇偶对称性，使得偶极矩算符在锯齿方向上具有非零分量，从而允许光发射。该研究系统地探讨了不同扭转角度对黑磷光电特性的影响。结果表明，大扭转角度更有利于观察到异常的光发射现象，而小扭转角度则更有利于观察到显著的BPVE。这种角度依赖性与理论计算结果一致，计算显示小扭转角度下自发极化更强，有利于电子-空穴对的分离。
在此基础上，研究人员还通过光电流映射和中红外光电流测试等手段，研究了BPVE现象。作者发现，BPVE可以在不同扭转角度和厚度的扭转结构中发生，这一发现为简化扭转结构的制备提供了可能性，扩展了研究领域，突破了单层或双层范德华材料的限制。通过这些表征手段，该研究不仅确认了BPVE的存在，还揭示了其发生机制，为进一步开发基于黑鳞的光电器件打下了基础。
图4 扭转黑磷中BPVE的理论研究
图5 室温下观察到的扭转黑磷中的BPVE
图6 室温下具有不同扭转角度的扭转黑磷中的光致发光光谱和BPVE
值得注意的是，与传统的需要原子级薄的范德华材料不同，这项研究发现这些现象可以在厚度达几十纳米的黑磷薄膜中观察到。这一发现大大简化了器件制备过程，提高了可靠性和便利性，为实际应用提供了可能性。
综上所述，这项研究通过对扭转黑磷异质结构的深入探讨，发现扭转策略不仅能够有效地调控电子-空穴对的重组和分离过程，还能打破传统光电材料的对称性限制，从而实现新的光致发光特性和BPVE。这一发现强调了材料结构在光电性能中的重要性，提示研究人员在设计新型光电材料时应充分考虑材料的微观结构及其调控机制。此外，该研究表明，扭转角度和层厚对光电特性的影响，使研究人员认识到在材料制备过程中，细微的几何变化可能会引发显著的光电行为变化。未来，这一策略可推广至其他范德华材料，进一步拓展其在光电器件、智能探测器和量子发射器等领域的应用潜力。
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53125-4
