二维半导体，因其独特的光物理特性而引起人们的广泛关注，其中，包括大激子束缚能和强门可调谐性，这是由于二维半导体的维数降低而引起的。尽管人们付出了相当大的努力，但在原始2D半导体的基本光物理和实际设备性能之间仍然存在脱节，这经常受到许多外在因素的困扰，包括半导体-接触界面的化学紊乱。
在此，来自美国加州大学洛杉矶分校的Justin R. Caram & 段镶锋等研究者，通过使用具有最小界面紊乱的范德华接触，抑制了接触诱导的Shockley-Read-Hall复合(肖克莱里德霍尔复合)，并在二维半导体二极管中实现了几乎由固有光物理决定的器件性能。相关论文以题为“Approaching the intrinsic exciton physics limit in two-dimensional semiconductor diodes”于2021年11月17日发表在Nature上。
纳米半导体，如二维(2D)材料和胶体量子点，具有较弱的介电屏蔽和较强的约束效应，导致异常大的激子(电子空穴准粒子)结合能(EB > 100 meV)，因此，即使在室温下，激子也常常控制着纳米级光电器件的性能。
这与传统半导体(例如砷化镓和硅)相反，在传统半导体中，自由载流子通常由于更小的激子束缚能(EB < kBT ≈ 26 meV，其中kB是玻尔兹曼常数，T是温度)。激子的主导作用可能导致独特的纳米器件特性。例如，电子-电子/空穴和空穴-电子/空穴的俄歇复合现在是一个两体(电荷-激子)过程，线性依赖于电子或空穴密度。
此外，固有的较低的维数自然地导致扩散物种的多体散射概率增强，导致较短的扩散长度和较低的器件效率。然而，尽管激子在纳米半导体中普遍存在，但由于接触或介质界面的非理想性造成的严重外部损失，直接将光电器件的特性与激子行为联系起来仍然具有挑战性。
在此，研究者展示了具有近乎理想金属-半导体接口的范德瓦尔斯(vdW)接触式二维二极管的近本征激子光电器件性能。通过将光电子学研究与时间分辨光致发光(TRPL)测量相结合，来探测电荷密度依赖的光伏性能，研究者揭示了激子扩散和二体激子电荷奥杰复合，在决定2D二极管性能中的基本作用，并证明了一个大大增强的光电流接近本征激子光物理极限。
研究者利用分闸几何结构中的静电场，独立调制二硒化钨二极管中的电子和空穴掺杂，发现在低电荷密度的短路光电流中有一个不寻常的峰值。时间分辨光致发光显示，由于激子-电荷俄歇复合的增加，激子寿命从电荷中性状态下的800皮秒大幅降低到高掺杂密度下的50皮秒。
综上所述，研究者发现激子扩散限制模型，很好地解释了电荷密度依赖的短路光电流，这一结果进一步通过扫描光电流显微镜得到证实。
因此，研究者展示了激子扩散和两体激子-电荷俄格复合，在二维器件中的基本作用，并强调了二维半导体的固有光物理学，可以用于创建更高效的光电器件。
图1. 原子薄WSe2 p-n二极管具有原子清洁vdW触点
图2. 2D WSe2 p-n二极管的掺杂相关光电性能
据悉，这是段镶锋教授继9月16日的Science之后，仅仅过了一个月，又发了一篇Nature。至此，截止2021年11月17日，段镶锋教授在2021年，已经发表了3篇Nature和1篇Science，剩余两篇如下：
段镶锋，1992年考入中国科学技术大学少年班，1996年获郭沫若奖学金，1997年获学士学位，1998年获得哈佛大学全额奖学金赴美深造，1999年和2000年两度获得“MRS全美杰出研究生奖”，2001年获得“全美发明家竞赛大奖”，同年，他和另一位科大学子黄昱合作完成的纳米成果被Science评为2001年世界十大科技进展，并名列榜首，2002年获得博士学位，2003年他被美国Technology Review评为当年的“世界百位杰出青年发明家”之一。
段镶锋博士在Nature、Science等顶尖国际权威刊物上发表过多篇论文，总被引次数超过77212次，并拥有超过40项美国专利。现任职于著名的纳米技术公司Nanosys，从事纳米科技研究和产品开发。
2011年2月10日，全球领先的专业信息供应商汤森路透集团（Thomson Reuters）发布了2000-2010年全球顶尖一百化学家名人堂榜单（TOP100CHEMISTS,2000-2010），这份依据过去10年中所发表研究论文的影响因子而确定的最优秀的100名化学家榜单中，共有12位华人科学家入选，美国加州大学洛杉矶分校助理教授段镶锋排名全球第41位，华人第7位。汤森路透集团于2011年3月2日发布了2000-2010年全球顶尖一百材料学家名人堂榜单，在这份依据过去10年中所发表研究论文的引用率而确定的最优秀的100名材料学家榜单中，共有15位华人科学家入选，段镶锋（Xiangfeng DUAN），全球总排名第20位，华人第7位。
研究领域包括：纳米材料、纳米器件及其在未来电子、能源技术和生物医学科学中的应用等。
Chen, P., Atallah, T.L., Lin, Z. et al. Approaching the intrinsic exciton physics limit in two-dimensional semiconductor diodes. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03949-7
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03949-7#citeas
http://xduan.chem.ucla.edu/?q=content/xiangfeng-duan-ph-d
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