这个二维材料来头不小，连续两周上Nature

在短波和中波红外范围(1到8微米)工作的室温光电器件，可以应用于众多领域。为了达到特定应用所需的工作波长范围，需要在生长过程中使用具有不同带隙(例如，超晶格或异质结构)的材料组合或半导体合金成分的变化。然而，这些材料制作复杂，且制作后的操作范围是固定的。虽然光电子器件中工作波长具有宽范围、有源和可逆可调等特点，是一个非常理想的特性，但目前还没有开发出这样的平台。

在此，来自美国加州大学伯克利分校的Ali Javey等研究者，提出黑磷可作为理想的候选材料，展示了高性能的具有主动可变光谱的室温红外光电子学。相关论文以题为“Actively variable-spectrum optoelectronics with black phosphorus”于2021年08月11日发表在Nature上。

细心的读者可能发现了，这是黑磷再次登上Nature了（Nature：50年前的理论模型，今天实验上终于观测到），而距离上一次仅仅过去一周。由此可见，二维材料，似乎蕴含着无穷的“宝藏”，等着我们去发现。

由于其褶皱晶格结构，黑磷(bP)显示出独特的应变依赖特性，包括对应变高度敏感的带隙、带隙的反常应变依赖、可调谐的范德华相互作用以及压电性。由于bP的膜性质，不需要选择性的变薄和玻璃过程，因此，应力可以以可逆的方式应用于bP。多层bP的带隙，还跨越了对光通信、热成像、健康监测、光谱学和气体传感需求迅速增长的红外区域。此外，bP在所有厚度下的低俄歇复合速度和直接带隙有利于高效的光电应用。然而，尽管人们对开发主动可调谐红外光电子器件有相当大的兴趣，但在这方面并没有取得实质性进展。

在此，研究者利用bP的应变可调带隙，来演示了在室温下工作于红外波段的主动变谱光电器件。采用该方法，覆盖2.3 μm到5.5 μm的bP带隙通过应变表现出1.70 μm %⁻¹的调制速率，这是直接带隙半导体的最高值。从而使得在不牺牲其性能的情况下，可以任意在发光和光探测设备中对其光谱范围进行宽调制。此外，研究者还在柔性衬底上使用bP-MoS₂异质结构，实现了连续可逆的中波长红外电致发光。研究者还通过施加应变，扩大了高响应bP光电探测器的检测范围。最后，研究者利用该平台演示了多路非色散红外气体传感，即使用单一光源检测多种气体(如CO₂、CH₄和H₂O)。在保持高性能的同时，该工作弥补了技术上的差距，为满足光电应用对发射和探测光谱的不同要求，提供了一种潜在的方法。

这个二维材料来头不小，连续两周上Nature

图1. 黑磷的应变可调带隙

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图2. bP中带隙的应变诱导修饰

图3. 基于bP-MoS₂异质结构的应变可调MWIR LEDs

图4. 用应变可调LEDs的NDIR气体传感

综上所述，研究者利用bP的应变可调带隙，在室温下研制了主动可调红外光电器件，包括LEDs和光电探测器。这里开发的AVSO设备具有前所未有的多功能性，因此，在光通信、化学传感和光谱学等需要可调谐光谱的领域具有重要意义。为此，研究者演示了这种可调谐光电平台的一个应用，即用单个器件进行多路气体传感。通过扩展这种方法，人们可以潜在地探索压电基板上器件的集成或微机电系统(MEMS)的使用，尽管有许多处理挑战需要克服。

此外，通过衬底工程进一步增加施加在bP上的压缩应变量，有可能扩展到长波红外波长。该有源应变调谐方案，可能也适用于其他2D材料，为跨越电磁频谱实现光谱可调谐的光电子学提供了一条途径。

文献信息

Kim, H., Uddin, S.Z., Lien, DH. et al. Actively variable-spectrum optoelectronics with black phosphorus. Nature 596, 232–237 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03701-1

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03701-1

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/12/b0e05d7166/

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