意想不到的纳米级光源天线

诸平

Fig. 1 Physics in acrylic painting: An artist’s impression of the ETH experiment in which a semiconductor material (orange/blue dots) acts as an antenna. (Image: Sotirios Papadopoulos / ETH Zurich)

Fig. 2 The semiconductor material (tungsten disulfide, WS₂) placed outside the tunnel junction (right) acts as an antenna and makes it possible to enhance the energy created in the tunnel junction. (Illustration: Sotirios Papadopoulos / ETH Zurich)

Fig. 3 Lukas Novotny

据瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）2023年7月3日报道，苏黎世联邦理工学院的研究人员利用半导体材料的不同寻常的放置方式，在芯片上创建了一种光源天线(An unexpected antenna for nanoscale light sources)。未来，高效的纳米级 LED 和激光器可以通过这种方式生产。

光的快速切换和调制是现代数据传输的核心，其中信息通过光纤电缆以调制光束的形式发送。多年来，光调制器的小型化并将其集成到芯片中已经成为可能，但光源本身——发光二极管 ( light emitting diodes简称LED) 或激光器——仍然给工程师带来了问题。由卢卡斯·诺沃特尼（Lukas Novotny）教授领导的苏黎世联邦理工学院的研究小组与瑞士迪本多夫市的 EMPA 和西班牙巴塞罗纳的光子科学研究所（Institut de Ciències Fotòniques简称ICFO）的同事一起，现在发现了一种新机制，可以在未来产生微小但高效的光源。他们的研究结果于2023年6月26日已经在《自然材料》(Nature Materials)杂志网站发表——Lujun Wang, Sotirios Papadopoulos, Fadil Iyikanat, Jian Zhang, Jing Huang, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Michel Calame, Mickael L. Perrin, F. Javier García de Abajo, Lukas Novotny. Exciton-assisted electron tunnelling in van der Waals heterostructures. Nature Materials, 2023, DOI: 10.1038/s41563-023-01556-7. Published: 26 June 2023. https://www.nature.com/articles/s41563-023-01556-7

参与此项研究的除了来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich, Zürich, Switzerland）的研究人员之外，还有来自西班牙巴塞罗纳科技学院光子科学研究所 (ICFO, The Barcelona Institute of Science and Technology, Castelldefels, Spain)、瑞士联邦材料科学与技术实验室（Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Dübendorf, Switzerland）、日本筑波国立材料科学研究所（National Institute for Materials Science, Tsukuba, Japan）、瑞士巴塞尔大学（University of Basel, Basel, Switzerland）、西班牙巴塞罗纳加泰罗尼亚研究和先进研究机构（Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats简称ICREA, Barcelona, Spain）的研究人员。

尝试意想不到的事情（Trying the unexpected）

“为了实现这一目标，我们首先必须尝试意想不到的事情”，卢卡斯·诺沃特尼说。多年来，他和他的同事一直致力于基于隧道效应的微型光源的研究。在由绝缘材料分隔的两个电极（在本例中由金和石墨烯制成）之间，电子可以根据量子力学规则进行隧道传输。在特定情况下-也就是说，如果隧道过程是非弹性的，这意味着电子的能量不守恒-可以产生光。上述图2就是放置在隧道结（右）外部的半导体材料（二硫化钨，WS₂）充当天线，可以增强隧道结中产生的能量。

“不幸的是，这些光源的产量相当低，因为辐射发射效率非常低”，博士后索蒂里奥斯·帕帕佐普洛斯（Sotirios Papadopoulos）解释道。这种排放问题在其他技术领域是众所周知的。例如，在手机中，产生传输所需微波的芯片尺寸只有几毫米。相比之下，微波本身的波长约为 20 cm，这使得它们比芯片大100倍。为了克服这种尺寸差异，需要天线（在现代手机中，实际上从外部不再可见）。同样，在苏黎世研究人员的实验中，光的波长远大于光源的尺寸。

隧道结外的半导体(Semiconductor outside the tunnel junction)

“那么，人们可能会认为我们是在有意识地寻找天线解决方案-但实际上我们没有”， 索蒂里奥斯·帕帕佐普洛斯说道。与之前的其他小组一样，研究人员正在研究半导体材料层，例如夹在隧道结电极之间的单原子厚度的二硫化钨(WS₂)，以便以这种方式产生光。原则上，人们会假设最佳位置应该位于两个电极之间的某个位置，可能距离一个电极比另一个电极更近一些。相反，研究人员尝试了完全不同的方法，将半导体放在石墨烯电极的顶部 - 完全在隧道结之外。

令人惊讶的天线作用(Surprising antenna action)

令人惊讶的是，这种看似不合逻辑的立场却起到了很好的作用。研究人员通过改变施加到隧道结的电压并测量流过它的电流找到了原因。该测量显示出明显的共振，这与半导体材料的所谓激子共振相匹配。激子由带正电的空穴（对应于缺失的电子）和被空穴束缚的电子组成。例如，它们可以通过光照射而被激发。激子共振（exciton resonance）是一个明显的迹象，表明半导体不是直接被电荷载流子激发的——毕竟，没有电子流过它——而是它吸收了隧道结中产生的能量，然后重新发射它。换句话说，它的作用非常像天线。

在纳米级光源中的应用（Applications in nanoscale light sources）

“目前，这种天线还不是很好，因为在半导体内部产生了所谓的暗激子（dark excitons），这意味着发出的光不多”， 卢卡斯·诺沃特尼承认：“改进这一点将是我们近期的功课”。如果研究人员成功地提高了半导体的光发射效率，那么就有可能制造出尺寸仅为几纳米的光源，因此比它们产生的光的波长小1000倍。由于没有电子流过半导体天线，因此也不存在通常在边界处发生并可能降低效率的不良效应。“无论如何，我们已经为新的应用打开了大门”， 卢卡斯·诺沃特尼说。尝试意想不到的事情显然是值得的。

本研究得到了来自苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich under ETH grant no. ETH-15 19-1 SYNEMA）、苏黎世联邦理工学院基金会（ETH Zurich Foundation project no. 2013-08 (11) with a donation from the Stavros Niarchos Foundation）、瑞士国家科学基金会（Swiss National Science Fund under grant no. 200020_192362；Swiss National Science Foundation under Eccellenza Professorial Fellowship no. PCEFP2_203663; Swiss National Science Foundation under the Sinergia grant no. 189924）、日本科学促进协会{ Japan Society for the Promotion of Science KAKENHI (grant nos. 19H05790, 20H00354 and 21H05233)}、瑞士教育、研究和创新国务秘书处（Swiss State Secretariat for Education, Research and Innovation under contract no. MB22.00076）/西班牙科学与创新部{ Spanish Ministry of Science and Innovation (PID2020-112625GB-I00 and CEX2019-000910-S)}、加泰罗尼亚政府{ Generalitat de Catalunya (CERCA and AGAUR) }以及仙丽施和米尔-蓓格基金会（Fundaciós Cellex and Mir-Puig）的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The control of elastic and inelastic electron tunnelling relies on materials with well-defined interfaces. Two-dimensional van der Waals materials are an excellent platform for such studies. Signatures of acoustic phonons and defect states have been observed in current-to-voltage measurements. These features can be explained by direct electron–phonon or electron–defect interactions. Here we use a tunnelling process that involves excitons in transition metal dichalcogenides (TMDs). We study tunnel junctions consisting of graphene and gold electrodes separated by hexagonal boron nitride with an adjacent TMD monolayer and observe prominent resonant features in current-to-voltage measurements appearing at bias voltages that correspond to TMD exciton energies. By placing the TMD outside of the tunnelling pathway, we demonstrate that this tunnelling process does not require any charge injection into the TMD. The appearance of such optical modes in electrical transport introduces additional functionality towards van der Waals material–based optoelectronic devices.