单层石墨烯具有许多卓越的特性，但由于缺乏带隙，因此不适合作为发光器件的材料。 这种限制可以通过石墨烯层的受控堆叠来克服。利用石墨烯独特的狄拉克锥带结构，我们展示了来自石墨烯/六方氮化硼 (h-BN)/石墨烯隧道结的扭曲控制共振光发射。无论石墨烯电极之间的晶体排列如何，我们都观察到光发射。几乎对齐的器件在光学和电学特性方面都表现出明显的共振特征，这些特征在扭转角 θ ≳3° 时会迅速消失。这些实验结果可以通过理论模型很好地解释，其中光谱光子发射峰归因于光子辅助动量守恒电子隧穿。我们对齐器件中的共振峰可以在近红外范围内进行超过 0.2 eV 的光谱调谐，使石墨烯/h-BN/石墨烯隧道结成为片上光电子学的潜在候选者。
 
 
图 1. (a) 扭曲控制的 Gr/h-BN/Gr 发光隧道结示意图。 光子发射源自由施加在器件上的偏置电压 V_B 控制的光子辅助非弹性电子隧穿。  (b) 不同装置对不同扭转角θ测量的光谱响应的演变； 近红外范围内的共振发射峰变宽并最终消失。  (c) 发光的假色电荷耦合器件 (CCD) 图像，表明两个石墨烯电极之间的整个重叠区域具有均匀的强度分布（θ= 0.5°和 V_B = 2.3 V）。


图 2. (a) 扭转角 θ 转化为顶部（绿色）和底部（蓝色）石墨烯电极的狄拉克点之间的波矢失配 ΔK。  (b) 施加在器件上的偏置电压 VB 引入了能量偏移 Φ 和费米能级位移 ΔE_F。  (c) 弹性共振条件。 对于 θ ≲ 3°，狄拉克锥的相互对齐导致弹性隧道效应的局部最大值。  (d) 非弹性动量守恒共振条件。 由于光子发射，锥体到锥体跃迁涉及 ℏωR = Φ 的能量下降。 该过程在 θ = 0° (ΔK = 0) 时最大化。
 
  图 3. Gr/h-BN/Gr 器件的电气特性。  (a) 三个隧道结器件（8 L h-BN 和 θ ≈ 0.5°、1.1° 和 2.9°）的 I-V 特性，显示NDC峰值向更高电压移动以增加θ。 (b) 具有9 L h-BN 势垒的未对准器件的测量 I-V 特性（品红色）以及与 eq ₁（黑色）对应的拟合。所有器件均在室温 (T = 300 K) 的环境条件下测量。面板a和b中的实验曲线针对串联电阻进行了校正。 曲线的对称性支持我们的初始掺杂接近零的假设。 (c) 使用方程 (a) 中的实验曲线进行数值拟合，从中提取扭曲角θ。用于θ提取的电压值 VPeakused 在面板a和c中用虚线表示。 (d) 几乎对齐的器件的电流密度是弹性和非弹性贡献的总和。 (e-g) 对NDC 峰值有贡献的狄拉克锥对齐。 两个狄拉克锥体之间的交集从 (e) VB< VPeakinto 的两条双曲线 (f) VB≈ VPeakand 的直线，最后演变为 (g) VB> VPeak 的椭圆。
 
  图 4. Gr/h-BN/Gr 隧道结的光学特性。 (a)几乎对齐的器件 (θ≈0.5°) 的光子发射光谱及其对偏置电压 VB 的依赖性。每个光谱都表现出以 ℏωR= Φ（菱形）为中心的特征共振峰和截止点 ℏωcut= eVB（圆形）。 为清晰起见，对光谱进行了偏移，虚线表示相应的零电平。 (b) 对具有不同扭转角 θ 和相同偏置电压 VB≈ 2.4 V 的器件测量的光子发射光谱。 θ 的增加导致光谱峰的分裂，当 θ > 5° 时，光谱峰消失。 (c)未对准装置的光子发射光谱 (θ > 5°)。 未对准的设备在近红外区域没有共振。面板 a 和 c 中的插图是 CCD 图像，显示整个 Gr-Gr 重叠区域（VB≈2.3 V）的均匀光强度分布。比例尺 = 1 0μm。 所有器件均在室温 (T = 300 K) 的环境条件下测量。 (d-f) a-c 面板中具有相同θ和VBas的器件的计算光子发射光谱。图d中的插图说明了动量守恒电子隧穿 (θ≈0°) 的能带排列。红色箭头表示与共振光发射相关的转变，蓝色箭头表示负责发射平台的转变。面板e中的插图显示了轻微未对准设备的带对齐。 红色和绿色箭头长度不等，负责峰分裂。面板f中的插图说明了未满足动量守恒的未对准器件的带对齐和光子辅助跃迁。
  
      相关科研成果由瑞士光子实验室Lukas Novotny等人于2021年发表在Nano Letter（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02913）上。原文：Resonant Light Emission from Graphene/Hexagonal Boron Nitride/Graphene Tunnel Junctions。

转自《石墨烯研究》公众号