黑磷的全新维度：探索中红外光电子学新机遇！

【研究背景】

扭曲的范德华（vdW）异质结构是现代材料科学中的一个重要研究方向，因其在光电器件、量子材料等领域的应用潜力而受到广泛关注。这种结构通过原子级锐利的界面实现了对电子-空穴对辐射、分离和收集过程的操控，与传统的半导体材料相比，vdW异质结构展现出可调节的光学和电学特性，以及极高的内部发光效率。然而，传统材料在带隙调控、光致发光（PL）和光伏效应等方面仍存在限制，导致它们在新型功能器件中的应用受到制约。

近日，来自南方科技大学陈晓龙副研究员课题组、深圳大学光电工程学院张晗以及中山大学深圳校区Xiang-Long Yu携手在扭曲黑磷（BP）的研究中取得了新进展。他们设计并制备了具有不同扭曲角度的黑磷异质结构，成功实现了在中红外波段的光发射特性。在此基础上，研究团队利用第一性原理计算和实验手段，显著提高了光致发光的性能，成功观察到了在扭曲黑磷中生成的体光伏效应（BPVE）。这一发现不仅打破了黑磷中光学跃迁的对称性限制，使得原本禁止的光学态沿锯齿方向的红外光发射得以实现，还在没有外部电压偏置的情况下有效分离电子-空穴对。

研究结果表明，扭曲的黑磷异质结构展现出强大的界面效应，为其在中红外信息处理中的应用提供了新的可能性。这一进展为光电材料的设计和功能器件的开发提供了重要的理论依据和实验支持，展现了vdW扭曲界面的工程化在操控材料光电特性方面的巨大潜力，可能为智能光子探测器和量子发射器的研究与应用开辟新的路径。

【科学亮点】

本文通过傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和红外显微镜等先进的表征手段，深入研究了扭曲黑磷（BP）的光致发光（PL）特性及其体光伏效应（BPVE）。通过对扭曲BP的PL光谱进行系统性分析，作者揭示了在扭曲结构中出现的较低光子能量峰及其间接发射特性。这一发现表明，扭曲策略不仅改变了电子-空穴对的重组行为，还为激发光子的发射开辟了新的路径。

针对扭曲BP中观测到的光电特性，作者采用了温度依赖性测量和偏振分辨的PL特征表征，得到了与传统BP结构显著不同的结果。特别是，作者观察到光子发射在底部BP的锯齿方向上具有极化特征，而在单层BP中此特性是对称禁止的。通过这一微观机理的分析，揭示了扭曲角度对光致发光特性的影响，为进一步探索BP材料在光电器件中的应用提供了理论基础。

在此基础上，本文还通过光电流映射和中红外光电流测试等手段，研究了BPVE现象。作者发现，BPVE可以在不同扭曲角度和厚度的扭曲结构中发生，这一发现为简化扭曲结构的制备提供了可能性，扩展了研究领域，突破了单层或双层范德华材料的限制。通过这些表征手段，作者不仅确认了BPVE的存在，还揭示了其发生机制，为进一步开发基于BP的光电器件打下了基础。

总之，经过上述多种表征手段的深入分析，作者探讨了扭曲BP材料的独特光电特性，揭示了其潜在的应用前景。这些研究成果不仅推动了对扭曲范德华材料的理解，也为新型光电材料的制备提供了指导。最终，通过本研究，作者成功制备了一种新型扭曲BP材料，推动了光电器件技术的发展，显示了扭曲策略在未来材料科学研究中的重要性。

【图文解读】

图 1: 扭曲黑磷（BP）异质结构的应用示意图。

图 2: 在室温下纯黑磷和扭曲黑磷的中红外光发射特性。

图 3: 扭曲黑磷中的对称破缺诱导的光致发光（PL）。

图 4: 扭曲黑磷中体光伏效应（BPVE）的理论研究。

图 5: 在室温下观察到的扭曲黑磷中的体光伏效应（BPVE）。

图 6: 在室温下，具有不同扭曲角度的扭曲黑磷中的光致发光（PL）光谱和体光伏效应（BPVE）。

【科学启迪】

本文通过对扭曲黑磷（BP）异质结构的深入探讨，作者发现，扭曲策略不仅能够有效地调控电子-空穴对的重组和分离过程，还能打破传统光电材料的对称性限制，从而实现新的光致发光特性和体光伏效应。这一发现强调了材料结构在光电性能中的重要性，提示作者在设计新型光电材料时应充分考虑材料的微观结构及其调控机制。此外，研究表明，扭曲角度和层厚对光电特性的影响，使作者认识到在材料制备过程中，细微的几何变化可能会引发显著的光电行为变化。未来，这一策略可推广至其他范德华材料，进一步拓展其在光电器件、智能探测器和量子发射器等领域的应用潜力。

原文详情：Chen, S., Liang, Z., Miao, J. et al. Infrared optoelectronics in twisted black phosphorus. Nat Commun 15, 8834 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53125-4