根据宾州州立大学和巴黎萨克雷大学的研究人员领导的国际团队，新近实现了对嵌入二维材料中的极小光源（大小在几个纳米）发出的光的精确控制，这可能导致显著提高分辨率的显示器以及超快速量子计算的进展。
在最近的一项研究中，科学家们共同展示了如何通过在二维材料中嵌入第二种二维材料（称为纳米点，大小为几个纳米）来调节从二维材料发出的光。研究小组描述了他们如何在二维中实现纳米点的约束，并证明通过控制纳米点的大小，他们可以改变发出光的颜色和频率。
“如果你有机会让这些在量子技术和电子学中相关的材料局部发光，那是非常令人兴奋的，”宾州州立大学材料科学与工程副教授、研究共同作者Nasim Alem说。“想象一下从你领域中的零维点获取光，就像空间中的一个点，不仅如此，你还可以控制它。你可以控制频率。你还可以控制它发出的波长。”
研究人员在另一种二维材料（钨二硒化物）内部嵌入了由二维材料（钼二硒化物）制成的纳米点，然后将一束电子瞄准该结构，使其发光。这种称为阴极发光的技术使得团队能够以高分辨率研究材料中个别纳米点如何发光。
“通过将光检测工具与透射电子显微镜结合，透射电子显微镜是一种使用电子对样本进行成像的强大显微镜，你可以看到比其他技术更细致的细节，”第一作者、2023年获得宾州州立大学博士学位并现在担任三星奥斯丁半导体的TEM分析工程师的Saiphaneendra Bachu说。“电子的波长非常小，因此分辨率极高，能够让你分开检测来自一个小点和另一个附近点的光。”
他们发现，较大的点发出一种类型的光，而较小的点则产生另一种。当点非常小（小于10纳米宽，大约是11个氢原子排成一行的大小）时，它们表现出独特的行为，捕获能量并以更高的频率发光，这相当于更小的波长。
根据Alem的说法，这种现象称为量子约束。当点被限制在一个极小的空间里时，它们的能量变得量子化，这意味着它成为一种离散特征，使其具备包括新颖电子和光学能力的新属性。在这种情况下，研究人员确认纳米点在钼二硒化物和钨二硒化物的界面上约束了被称为激子（excitons）的基本粒子对。
激子能够传输能量，但不携带净电荷，并且它们可以影响半导体（支撑智能手机、计算机等的芯片）的行为。通过精确控制材料中的激子，科学家可以更有效地操纵它们发出的光，他们表示，这可能导致更快和更安全的量子系统，以及其他可定制的、省电的设备，如更高分辨率的显示屏。
“想想OLED显示器是如何工作的，”Bachu说。“每个像素后面都有自己微小的光源，因此你可以控制每个像素的确切颜色或亮度。这使得屏幕能够显示真正的黑色和真实的红色、绿色和蓝色。如果你改善这个过程，图像就会更加清晰和生动。”
控制来自调节带隙——本质上是电子必须跨越的能量阈值，以使材料发光——的半导体材料。Alem说，具有较低维度的材料，例如单层的二维钨二硒化物，可能具有直接带隙，它在发光效率上比其更厚的间接带隙同类材料更有效。
但即便在一系列相关的二维材料（如钼二硫化物、钨二硫化物、钼二硒化物和钨二硒化物）中，光发射效率及其他电子和光学特性也各不相同，因为它们各自具有不同的带隙能量。
“通过混合它们——例如以特定比率结合钼二硒化物和钨二硒化物——你可以微调带隙，以发出特定颜色的光，”Bachu说。“这个过程称为带隙工程，由于这种材料系列的多样性，使其成为研究和创造这些光源的优秀平台。”
研究人员表示，他们目前计划在这项工作基础上进行进一步的研究。
“这只是冰山一角，”Alem说。“通过探索原子结构、化学和其他因素在控制光发射中的作用，同时扩展在这项研究中学到的经验，我们可以将这项研究推进到下一个水平，并开发实际应用。”
除了Alem和Bachu，其他来自宾州州立大学的研究作者还包括材料科学与工程助理研究教授Benjamin Huet；2022年获得宾州州立大学博士学位、现任英特尔TD模块与集成良率工程师的Leixin Miao；化学与材料科学与工程助理教授Danielle Reifsnyder Hickey；材料科学与工程研究生Nicholas Trainor；以及材料科学与工程杰出教授和宾州州立大学材料研究所二维晶体联盟（2DCC-MIP）主任Joan Redwing。这项研究的共同通讯作者还有巴黎萨克雷大学的Luiz H. G. Tizei、Steffi Y. Woo和Mathieu Kociak；北德克萨斯大学的Fatimah Habis和Yuanxi Wang；宾夕法尼亚大学的Gwangwoo Kim和Deep Jariwala；以及日本国立材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。
这项工作部分得到了富布赖特学者计划、NSF CAREER奖、2DCC-MIP和欧盟“地平线2020”研究与创新计划的支持。
