[论文解读] Electrically Tunable Excitonic Light Emitting Diodes based on Monolayer WSe2 p-n Junctions

Jason Ross, Philip Klement+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2013

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用 17

一句话总结

本论文通过六方氮化硼作为电介质的静电栅控，实现了在单层WSe2 p-n结中电场可调的激子发光。WSe2优异的光学质量与高效的载流子注入，使得发光亮度高，电流比MoS2低1000倍，光谱线宽窄10倍。通过偏压调制，揭示了中性激子、带电激子和杂质束缚激子的特征发射行为。

ABSTRACT

Light-emitting diodes are of importance for lighting, displays, optical interconnects, logic and sensors. Hence the development of new systems that allow improvements in their efficiency, spectral properties, compactness and integrability could have significant ramifications. Monolayer transition metal dichalcogenides have recently emerged as interesting candidates for optoelectronic applications due to their unique optical properties. Electroluminescence has already been observed from monolayer MoS2 devices. However, the electroluminescence efficiency was low and the linewidth broad due both to the poor optical quality of MoS2 and to ineffective contacts. Here, we report electroluminescence from lateral p-n junctions in monolayer WSe2 induced electrostatically using a thin boron nitride support as a dielectric layer with multiple metal gates beneath. This structure allows effective injection of electrons and holes, and combined with the high optical quality of WSe2 it yields bright electroluminescence with 1000 times smaller injection current and 10 times smaller linewidth than in MoS2. Furthermore, by increasing the injection bias we can tune the electroluminescence between regimes of impurity-bound, charged, and neutral excitons. This system has the required ingredients for new kinds of optoelectronic devices such as spin- and valley-polarized light-emitting diodes, on-chip lasers, and two-dimensional electro-optic modulators.

研究动机与目标

• 开发一种基于单层WSe2的高效电致发光二极管，具备可调激子发光特性。
• 克服MoS2基器件中电致发光效率低和光谱线宽过宽的局限性。
• 通过多栅、hBN支撑的异质结构，实现对单层WSe2中电子和空穴的有效注入。
• 通过调节注入偏压，探索激子发光的可调性，实现对不同激子态的调控。
• 展示WSe2基二维异质结构在先进光电器件（如谷极化发光二极管和片上激光器）中的应用潜力。

提出的方法

• 利用双栅、hBN支撑的场效应晶体管结构，在机械剥离的单层WSe2中制备横向p-n结。
• 采用六方氮化硼（hBN）作为高质量电介质层，以减少散射并增强载流子注入。
• 通过hBN下方的多个金属栅极施加静电栅压，调节载流子浓度和注入效率。
• 在不同栅压下对电致发光进行光学表征，以探测激子跃迁行为。
• 通过分析发射光谱，依据光谱位移和线宽，识别中性激子、带电激子和杂质束缚激子的贡献。
• 与MoS2基器件的电致发光性能进行对比，突出在效率和光谱纯度方面的改进。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在单层WSe2 p-n结中实现高效率、窄线宽的电致发光？
• RQ2 与传统氧化物相比，使用hBN作为电介质如何提升载流子注入效率和光学质量？
• RQ3 通过调节栅压，能否在不同激子态（中性、带电、杂质束缚）之间实现发射光谱的电场调控？
• RQ4 在电流效率和光谱宽度方面，WSe2基发光二极管相比现有MoS2基器件的性能如何？
• RQ5 这些结果对发展二维光电器件（如自旋与谷极化发光二极管、片上激光器）有何启示？

主要发现

• 与MoS2基器件相比，单层WSe2 p-n结的电致发光所需注入电流降低1000倍。
• WSe2的电致发光线宽比MoS2窄10倍，表明其具有更优的光学质量及更小的非均匀展宽。
• 通过调节栅压，发光行为可在以中性激子为主、带电激子为主和杂质束缚激子为主的发射区域之间切换，实现了对激子特性的电场调控。
• WSe2优异的光学质量与hBN电介质实现的有效载流子注入，共同实现了明亮且光谱尖锐的发光。
• 该系统支持新型光电器件的实现，如自旋极化与谷极化发光二极管、片上激光器以及二维电光调制器。
• 由于载流子局域化增强和缺陷散射减少，结果表明单层WSe2在激子发光方面优于MoS2，是更优的平台。