高效、深紫外发光的hBN莫尔量子阱

《SCIENCE》：Highly efficient, deep-ultraviolet luminescence in hBN moiré quantum wells

研究扭层六方硼氮（hBN）形成量子阱，发现其通过调制堆叠顺序增强深紫外发光，效率超过传统AlGaN量子阱，第一性原理计算验证了载流子局域化和声子辅助发光机制。

　　

编辑总结

在扭曲的六方氮化硼（hBN）体块异质结中形成的摩尔纹量子阱在深紫外光区域发出明亮的荧光。Hong等人发现，以微小的扭曲角度重新堆叠这些体块层可以在扭曲界面处形成有序的超晶格（参见Gil和Cassabois的观点文章）。在光激发或电荷载流子注入的情况下，可以激发远紫外C波段的声子辅助发光。这种发光强度大约是传统铝镓氮化物多量子阱的20倍。——Phil Szuromi

结构化摘要

引言

二维（2D）范德瓦尔斯（vdW）半导体的扭曲堆叠能够形成摩尔纹超晶格，从而实现对量子态和光-物质相互作用前所未有的控制。到目前为止，这种现象主要在原子级薄材料中得到研究，在这些材料中，层间耦合显著改变了组成层的电子结构和激子性质。

研究背景

将摩尔纹工程扩展到三维（3D）vdW层状材料，为利用其固有的强光-物质相互作用和各向异性电子结构提供了新的机会。这些3D晶体中的电子表现出增强的平面内迁移率和依赖于极化的光学响应，从而实现了高效的光学过程。通过在3D vdW层之间引入可控的扭曲角度，可以形成一类新的摩尔纹结构，支持载流子局域化、可调的激子行为以及与光子学和光电设备的集成，这些能力都超过了扭曲的2D材料。最近的研究表明，扭曲体块单晶可以创建机械上坚固且可重构的摩尔纹界面，为基于扭曲角度的非线性和量子光学功能铺平了道路。然而，这类扭曲体块vdW材料的界面电子态和光学特性在很大程度上仍尚未被探索。

结果

在这里，我们使用六方氮化硼（hBN）作为模型系统，展示了在扭曲的体块vdW晶体的异质结界面处形成量子阱（QWs）的过程。由此产生的摩尔纹超晶格将电荷载流子限制在嵌入三维半导体基质中的原子级薄、周期性的势阱内。深紫外（DUV）飞秒激光光谱显示，堆叠顺序的周期性调制产生了稳定的摩尔纹势能，使局部光学带隙减小了约300毫电子伏特。值得注意的是，扭曲的hBN异质结在远紫外C波段（5.2至5.8电子伏特，215至240纳米）下，在光激发和电荷载流子注入的情况下都表现出强烈的声子辅助发光。通过调节扭曲角度，我们实现了比最先进的AlGaN多量子阱强一个数量级以上的发光强度。这些观察结果得到了从头算格林函数（GW）与Bethe-Salpeter方程（GW-BSE）计算的有力支持（其中GW是格林函数G与屏蔽库仑相互作用W的乘积），这些计算证实了带结构和激子局域化依赖于扭曲角度的变化。

结论

我们的研究结果表明，扭曲的体块hBN异质结是一类新型量子阱，它们表现出异常高效的DUV发射，其内部量子产率甚至超过了传统的宽带隙半导体（如铝镓氮化物AlGaN量子阱）。结合DUV飞秒光谱和第一性原理理论，我们证明了界面摩尔纹超晶格能够局域化激子并促进高效的声子辅助辐射复合。此外，我们的概念验证电驱动器件展示了来自扭曲hBN区域的强电致发光，这突显了摩尔纹工程在体块vdW材料中用于未来UV-C光电子学的潜力。除了hBN之外，这种由扭曲引起的载流子限制和增强的声子介导的复合机制为在3D vdW半导体中实现可调的、坚固的、高效的光-物质相互作用提供了一个通用框架。

在浏览器中打开

hBN摩尔纹量子阱中的高效DUV发光。

hBN体块扭曲界面处摩尔纹量子阱形成的示意图。hBN摩尔纹量子阱能够强烈局域化激子，在DUV频率下发出异常强的荧光。

摘要

二维范德瓦尔斯（vdW）半导体的扭曲堆叠形成了摩尔纹超晶格，从而实现对量子态及其光-物质相互作用前所未有的控制。我们证明了两个六方氮化硼（hBN）单晶块之间的简单扭曲界面能够在三维vdW结构中形成摩尔纹量子阱（QWs）。hBN摩尔纹量子阱在光激发和电注入的情况下都能强烈限制电荷载流子。尽管它们的带隙是间接的，但它们在215至240纳米的极端波长范围内发出强烈的深紫外光，其发光强度比最先进的传统铝镓氮化物（AlGaN）多量子阱强一个数量级以上。此外，通过控制扭曲角度，可以广泛调节摩尔纹量子阱的发光能量和效率。