以过渡金属硫族化合物为代表的二维半导体材料是继石墨烯之后国际上又一个研究焦点，凭借其独特的光电特性有望成为继InP、GaAs等III-V族半导体材料之后新一代的有源半导体材料。然而到目前为止，基于二维半导体材料的纳米激光器仅能在光泵浦下实现，尚未实现电注入的二维材料纳米激光。因此，二维半导体材料电致发光的研究是目前国际上一个前沿的焦点和难点问题，它不仅对二维半导体材料发光二极管、电注入二维半导体材料纳米激光具有重要意义，更是对二维半导体材料发光器件能否走向实用化起到决定性作用。二维半导体材料电致发光器件面临几个关键问题。第一，二维半导体材料目前难以实现欧姆接触。在二维材料电注入结构中，通常使用石墨烯或者金属电极和二维材料进行直接接触，通常其肖特基势垒比较高，因而带来较高的接触电阻。目前还没有一种有效的办法在二维半导体材料和金属电极之间构建欧姆接触，这极大地影响二维材料发光器件的电注入效率。第二，单层二维半导体材料目前难以通过可控的化学掺杂制备PN结。虽然可以通过栅压调控实现单层二维材料横向PN结及电致发光，但是目前该器件发光效率较低，并且电注入结构复杂，不利于发光结构与微腔等光学结构进一步结合。第三，目前通过直接生长或者机械剥离得到的单层或者薄层二维半导体材料尺寸仅为几十到几百微米。碎片化的二维材料严重限制了器件的尺寸以及大规模生产。

为了克服二维半导体材料电致发光器件面临的诸多难题，清华大学宁存政教授团队不依赖传统半导体电致发光器件的范式，重新审视了基于二维半导体材料电致发光器件设计的各个环节。根据二维半导体材料的特点，提出一种新型的二维半导体电致发光器件。该器件不需要外部的载流子注入，不需要金半接触，也不需要对单层二维半导体材料进行额外的掺杂或载流子调控。充分利用二维半导体材料激子结合能大的特点，通过交变电场加速载流子，通过碰撞产生激子并辐射发光。该器件对于几种常见的二维半导体材料都适用，包括单层WSe₂、WS₂、MoSe₂、MoS₂，以及单、双层MoTe₂，实现了从可见光到近红外的电驱动发光。更加重要的是该器件还可以利用一对叉指电极同时激励多片不连续的二维半导体材料同时发光，以及多种二维半导体材料实现多波长发光，为二维半导体材料的发光应用开辟了一条新的道路。

相关研究成果以“Injection-free multiwavelength electroluminescence devices based on monolayer semiconductors driven by an alternating field”为题发表于《科学进展》（Science Advances）杂志上。李永卓助理研究员和冯家斌博士为论文共同第一作者，宁存政教授为论文通讯作者。论文作者还包括章建行博士、博士生唐予倩、孙皓副研究员、甘霖助理研究员。该研究成果得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京未来芯片创新中心、教育部量子信息前沿科学中心项目等支持。

图1. 二维半导体材料发光器件结构示意图。

通讯作者

宁存政，现任清华大学电子系教授。

长期从事激光物理、半导体光电子器件和纳米光电子器件及纳米激光方面的研究，是世界上纳米激光方面早期开拓者及该领域领军人物之一。宁存政曾在多个领域作出过重大贡献，包括1993年与胡岗等共同发现“随机相干”现象，这一非线性噪音系统的反常行为目前在生物、化学、物理、工程等学科中得到普遍的实验验证和关注。他在博士期间发现了激光脉冲中的几何位相，从而首次发现了非线性耗散系统中的Berry位相。他领导的研究组在2009年世界上首次实现等离子激元激光器，被《麻省理工科技评论》（MIT Technology Review）称为世界上首次突破波长对激光尺寸限制者。2015年，他领导的研究组发明并实现世界上首个白光激光，获美国著名科技杂志年度工程类十大发明奖。近些年他领导的研究组取得多项国际领先研究成果，包括第一个室温运转的二维材料纳米激光、新型铒化合物材料的增益的世界纪录、二维材料中的超低阈值的新型增益机制、以及二维材料的单光子源可控制备等。

由于在光电子物理及器件方面的突出贡献，宁存政教授获得了一系列国际级的奖项及承认，包括国际电气工程师协会（IEEE）光子学会杰出讲师奖（IEEE/LEOS Distinguished Lecturer Award (2007-2008、2008-2009)、1999年美国航天航空总署纳米技术集体奖和2003年CSC 杰出贡献奖。特别是由于在纳米光电子学方面的开拓性贡献，他在2013年同时被选为IEEE 和光学学会（OSA）的会士，成为该年度唯一同时被两个学会选入会士的会员，在2021年获得洪堡研究奖（Humboldt Research Award），该奖是该基金会颁赠给外国学者的最高荣誉。宁教授多年来一直活跃在国际光电子界，曾多次担任由OSA、IEEE、SPIE等主办的国际光学及光电子会议的组委会主席或成员，曾任 IEEE量子电子学杂志的副编辑和其他国际杂志的特邀编辑及德国斯普林格出版社光电子学系列丛书的主编。

第一作者

冯家斌，2016年9月进入清华大学电子工程系，攻读电子科学与技术专业博士，师从清华大学宁存政教授，于2022年1月博士毕业。主要从事二维半导体材料电致发光的研究。

第一作者

李永卓，清华大学电子工程系助理研究员。

长期从事半导体纳米激光、纳米光电子器件的研究工作，主持及参与国家重点研发计划、国家自然科学基金“重大研究计划重点项目”及“面上项目”、北京市自然科学基金（数理专项）等多项任务研究，在Nature Nanotechnology、Nature Photonics等期刊发表多篇论文，研究成果曾入选“2017年度中国光学十大进展”。

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