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       單層石墨烯具有許多卓越的特性，但由于缺乏帶隙，因此不適合作為發(fā)光器件的材料。 這種限制可以通過(guò)石墨烯層的受控堆疊來(lái)克服。利用石墨烯獨(dú)特的狄拉克錐帶結(jié)構(gòu)，我們展示了來(lái)自石墨烯/六方氮化硼 (h-BN)/石墨烯隧道結(jié)的扭曲控制共振光發(fā)射。無(wú)論石墨烯電極之間的晶體排列如何，我們都觀(guān)察到光發(fā)射。幾乎對(duì)齊的器件在光學(xué)和電學(xué)特性方面都表現(xiàn)出明顯的共振特征，這些特征在扭轉(zhuǎn)角 θ ?3° 時(shí)會(huì)迅速消失。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以通過(guò)理論模型很好地解釋?zhuān)渲泄庾V光子發(fā)射峰歸因于光子輔助動(dòng)量守恒電子隧穿。我們對(duì)齊器件中的共振峰可以在近紅外范圍內(nèi)進(jìn)行超過(guò) 0.2 eV 的光譜調(diào)諧，使石墨烯/h-BN/石墨烯隧道結(jié)成為片上光電子學(xué)的潛在候選者。
 
 
圖 1. (a) 扭曲控制的 Gr/h-BN/Gr 發(fā)光隧道結(jié)示意圖。 光子發(fā)射源自由施加在器件上的偏置電壓 V_B 控制的光子輔助非彈性電子隧穿。  (b) 不同裝置對(duì)不同扭轉(zhuǎn)角θ測(cè)量的光譜響應(yīng)的演變； 近紅外范圍內(nèi)的共振發(fā)射峰變寬并最終消失。  (c) 發(fā)光的假色電荷耦合器件 (CCD) 圖像，表明兩個(gè)石墨烯電極之間的整個(gè)重疊區(qū)域具有均勻的強(qiáng)度分布（θ= 0.5°和 V_B = 2.3 V）。


圖 2. (a) 扭轉(zhuǎn)角 θ 轉(zhuǎn)化為頂部（綠色）和底部（藍(lán)色）石墨烯電極的狄拉克點(diǎn)之間的波矢失配 ΔK。  (b) 施加在器件上的偏置電壓 VB 引入了能量偏移 Φ 和費(fèi)米能級(jí)位移 ΔE_F。  (c) 彈性共振條件。 對(duì)于 θ ? 3°，狄拉克錐的相互對(duì)齊導(dǎo)致彈性隧道效應(yīng)的局部最大值。  (d) 非彈性動(dòng)量守恒共振條件。 由于光子發(fā)射，錐體到錐體躍遷涉及 ?ωR = Φ 的能量下降。 該過(guò)程在 θ = 0° (ΔK = 0) 時(shí)最大化。
 
  圖 3. Gr/h-BN/Gr 器件的電氣特性。  (a) 三個(gè)隧道結(jié)器件（8 L h-BN 和 θ ≈ 0.5°、1.1° 和 2.9°）的 I-V 特性，顯示NDC峰值向更高電壓移動(dòng)以增加θ。 (b) 具有9 L h-BN 勢(shì)壘的未對(duì)準(zhǔn)器件的測(cè)量 I-V 特性（品紅色）以及與 eq ₁（黑色）對(duì)應(yīng)的擬合。所有器件均在室溫 (T = 300 K) 的環(huán)境條件下測(cè)量。面板a和b中的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)針對(duì)串聯(lián)電阻進(jìn)行了校正。 曲線(xiàn)的對(duì)稱(chēng)性支持我們的初始摻雜接近零的假設(shè)。 (c) 使用方程 (a) 中的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)進(jìn)行數(shù)值擬合，從中提取扭曲角θ。用于θ提取的電壓值 VPeakused 在面板a和c中用虛線(xiàn)表示。 (d) 幾乎對(duì)齊的器件的電流密度是彈性和非彈性貢獻(xiàn)的總和。 (e-g) 對(duì)NDC 峰值有貢獻(xiàn)的狄拉克錐對(duì)齊。 兩個(gè)狄拉克錐體之間的交集從 (e) VB< VPeakinto 的兩條雙曲線(xiàn) (f) VB≈ VPeakand 的直線(xiàn)，最后演變?yōu)?(g) VB> VPeak 的橢圓。
 
  圖 4. Gr/h-BN/Gr 隧道結(jié)的光學(xué)特性。 (a)幾乎對(duì)齊的器件 (θ≈0.5°) 的光子發(fā)射光譜及其對(duì)偏置電壓 VB 的依賴(lài)性。每個(gè)光譜都表現(xiàn)出以 ?ωR= Φ（菱形）為中心的特征共振峰和截止點(diǎn) ?ωcut= eVB（圓形）。 為清晰起見(jiàn)，對(duì)光譜進(jìn)行了偏移，虛線(xiàn)表示相應(yīng)的零電平。 (b) 對(duì)具有不同扭轉(zhuǎn)角 θ 和相同偏置電壓 VB≈ 2.4 V 的器件測(cè)量的光子發(fā)射光譜。 θ 的增加導(dǎo)致光譜峰的分裂，當(dāng) θ > 5° 時(shí)，光譜峰消失。 (c)未對(duì)準(zhǔn)裝置的光子發(fā)射光譜 (θ > 5°)。 未對(duì)準(zhǔn)的設(shè)備在近紅外區(qū)域沒(méi)有共振。面板 a 和 c 中的插圖是 CCD 圖像，顯示整個(gè) Gr-Gr 重疊區(qū)域（VB≈2.3 V）的均勻光強(qiáng)度分布。比例尺 = 1 0μm。 所有器件均在室溫 (T = 300 K) 的環(huán)境條件下測(cè)量。 (d-f) a-c 面板中具有相同θ和VBas的器件的計(jì)算光子發(fā)射光譜。圖d中的插圖說(shuō)明了動(dòng)量守恒電子隧穿 (θ≈0°) 的能帶排列。紅色箭頭表示與共振光發(fā)射相關(guān)的轉(zhuǎn)變，藍(lán)色箭頭表示負(fù)責(zé)發(fā)射平臺(tái)的轉(zhuǎn)變。面板e(cuò)中的插圖顯示了輕微未對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的帶對(duì)齊。 紅色和綠色箭頭長(zhǎng)度不等，負(fù)責(zé)峰分裂。面板f中的插圖說(shuō)明了未滿(mǎn)足動(dòng)量守恒的未對(duì)準(zhǔn)器件的帶對(duì)齊和光子輔助躍遷。
  
      相關(guān)科研成果由瑞士光子實(shí)驗(yàn)室Lukas Novotny等人于2021年發(fā)表在Nano Letter（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02913）上。原文：Resonant Light Emission from Graphene/Hexagonal Boron Nitride/Graphene Tunnel Junctions。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)