蘇州納米所張凱團隊Nature Communications：基于帶邊外爾節(jié)點的偏振可調(diào)諧中紅外發(fā)光器件
偏振態(tài)是光子的一個重要的自由度，對其調(diào)諧與操縱在光通信、信號加密與量子計算等領(lǐng)域扮演著核心角色。半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光偏振態(tài)通常由材料固有的晶體對稱性和光學(xué)躍遷選擇定則所固定，難以實現(xiàn)動態(tài)、主動的調(diào)控。近期，中國科學(xué)院蘇州納米所張凱研究員、王俊勇項目研究員及合作者提出具有新奇能帶特性的窄帶隙二維半導(dǎo)體可為實現(xiàn)發(fā)光偏振態(tài)動態(tài)調(diào)控提供全新路徑。
以具有能帶交叉特性的外爾半導(dǎo)體碲為例，其導(dǎo)帶底存在一個受拓?fù)浔Ｗo的能帶交叉點，即外爾節(jié)點。這一特性將拓?fù)淠軒ЫY(jié)構(gòu)與載流子的輻射復(fù)合過程直接耦合，從根本上改變了光與物質(zhì)的相互作用模式。通過理論計算表明，外爾節(jié)點在導(dǎo)帶底處形成了一個“偏振奇點”：在這一點上，發(fā)光偏振態(tài)對載流子的占據(jù)狀態(tài)極其敏感，任何微小的能量或動量偏移都會導(dǎo)致偏振態(tài)的變化，這為實現(xiàn)動態(tài)調(diào)控提供了物理基礎(chǔ)。
基于此獨特物性，團隊構(gòu)建了石墨烯/碲/石墨烯范德華異質(zhì)結(jié)中紅外電致發(fā)光器件。該結(jié)構(gòu)具有較低的寄生電阻，能夠在較寬的電流密度范圍內(nèi)高效工作。實驗發(fā)現(xiàn)，在低電流注入下，載流子主要在布里淵區(qū)H點（即外爾節(jié)點所在處）附近復(fù)合，發(fā)射出偏振度接近100%的高度線偏振光。隨著注入電流密度的增大，高能“熱載流子”效應(yīng)顯著，載流子復(fù)合區(qū)域在倒空間中從H點向外擴展。此時，不同動量點對發(fā)光偏振的貢獻發(fā)生變化，導(dǎo)致器件的整體發(fā)光偏振度從～100%連續(xù)調(diào)諧至36%。第一性原理計算進一步證實了偏振可調(diào)性源于外爾節(jié)點附近的能帶填充效應(yīng)及熱載流子主導(dǎo)的躍遷重分布。
該研究首次實驗演示了基于“帶邊外爾節(jié)點偏振奇點”的動態(tài)可調(diào)偏振光源，為探索外爾點附近的光與物質(zhì)相互作用及中紅外拓?fù)涔怆娮悠骷_辟了新的技術(shù)路徑。相關(guān)成果以Dynamically tunable polarized mid-infrared light-emitting diodes from polarization singularities in a band-edge Weyl node為題發(fā)表在Nature Communications上。論文第一作者為中國科學(xué)院蘇州納米所博士后張君蓉，通訊作者為張凱研究員和王俊勇項目研究員，蘇州實驗室、東南大學(xué)等單位為該工作的合作完成方。該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省重大科技專項、蘇州市基礎(chǔ)研究項目及中國博士后科學(xué)基金等項目資助，并得到了中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站（Nano-X）及納米加工平臺的重要支持。
圖1 窄帶隙二維半導(dǎo)體碲的帶邊外爾節(jié)點及其中紅外熒光
圖2. 窄帶隙二維半導(dǎo)體碲的偏振可調(diào)諧中紅外發(fā)光器件
圖3. 發(fā)光偏振度動態(tài)調(diào)控的理論計算與機制分析
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