Las heteroestructuras de fósforo negro de van der Waals para aplicaciones de emisión de luz en el infrarrojo medio

14.07.2020 - China

Los espectros MIR se han utilizado ampliamente para la obtención de imágenes térmicas, la caracterización de moléculas y las comunicaciones. La fuente de luz MIR es el componente clave de las tecnologías MIR. Entre ellas, los diodos emisores de luz (LED) MIR muestran las ventajas del ancho de línea estrecho, el bajo consumo de energía y la portabilidad. Desde el redescubrimiento del BP de película delgada en 2014, ha recibido mucha atención debido a sus propiedades únicas, como la anisotropía en el plano, la alta movilidad de las portadoras y la separación de bandas sintonizable, etc., lo que hace del BP un material prometedor para aplicaciones en electrónica y optoelectrónica.

BP tiene una brecha de banda dependiente del espesor (0,3-2 eV), y el tamaño de la brecha de banda puede ajustarse aún más mediante la introducción de un campo eléctrico externo o el dopaje químico. Por estas razones, el BP de película delgada ha sido considerado como un material MIR estelar. Las investigaciones anteriores se centraron principalmente en las propiedades de luminiscencia de las escamas de BP monocapa y de pocas capas (con número de capas < 5 capas). Sin embargo, los últimos informes indican que la película delgada de BP (> 7 capas) muestra notables propiedades de fotoluminiscencia en la región MIR.

En este informe, propusimos una novedosa heteroestructura vdW para aplicaciones de emisión de luz MIR, construida a partir de BP y TMDC (como WSe2 y MoS2). Según el cálculo del DFT, la heteroestructura BP-WSe2 forma una alineación de banda tipo I. Por lo tanto, los pares de electrones y agujeros en la monocapa WSe2 pueden ser transportados eficientemente hacia la banda estrecha BP, mejorando así la fotoluminiscencia MIR de la película delgada BP. Se logró un factor de mejora de ~200% en la heteroestructura BP-WSe2 de 5nm de espesor.

Por otro lado, la heteroestructura del BP-MoS2 forma una alineación de banda tipo II. Una unión natural de PN se forma en la interfaz entre el BP de tipo p y el MoS2 de tipo n. Cuando se aplica un sesgo positivo de voltaje entre BP y MoS2 (Vds > 0), los electrones de la banda de conducción de MoS2 pueden cruzar la barrera y entrar en la banda de conducción de BP. Al mismo tiempo, la mayoría de los agujeros están bloqueados en la interfaz dentro de BP debido a la gran barrera Schottky de la banda de valencia. Como resultado, se logra una eficiente electroluminiscencia MIR en la heteroestructura de BP-MoS2.

Las heteroestructuras BP-TMDC vdW muestran muchos méritos, como un proceso de fabricación simple, alta eficiencia y buena compatibilidad con la tecnología del silicio. Por lo tanto, proporciona una plataforma prometedora para investigar sistemas optoelectrónicos híbridos de silicio-2D.

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