Advanced Materials:指尖呈辉-零维异质结:界面能带偏移增强应力发光

应力发光材料与普通发光材料的不同之处在于,通过力的激励能够直接发光,是一类智能和清洁的发光材料。由于无需光照和通电,应力发光智能材料在清洁光源和可视化动态应力无源探测方面具有独特的优势。近些年,借助灵活的调控,半导体材料异质结结构在光﹑电﹑机械﹑电磁等方面的性能得到了巨大提升,从而成为了众多领域的研究热点,如LED光电显示设备的应用等。目前,几乎所有的LED都是通过外部电源连接电极来驱动,而不借助额外的电极,只通过外加力在异质结结构来实现高效应力发光的设备还是相当有限的。

针对这一问题,香港理工大学黄勃龙教授,深圳大学彭登峰教授与香港城市大学王锋教授使用ZnS/CaZnOS半导体异质结结构实现了高效且稳定、重复性高的应力发光,并对其优异的应力发光性能的内在机制进行了探讨:通过异质结界面的能带偏移能够有效降低电子向导带激发的势垒,从而提升电子-空穴的结合效率。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201907747)上。

基于已知的应力发光效果,ZnS,CaZnOS还拥有相似的化学计量比和晶格结构,因此拥有能够形成稳定高质量异质结结构的潜力。该工作中,研究者合成了稳定的ZnS/CaZnOS半导体异质结结构并通过Mn2+实现了有效掺杂。该结构表现出高效的应力发光性能,在1N左右,即指尖划过的力度下即可表现出可调谐、高亮度且重复性好的应力发光,且不需要借助任何UV光、电场激发。相较于商业用的ZnS材料,该成果的发光强度提升了两倍,也比单一CaZnOS的发光强度提高了三倍以上。理论计算研究发现,优异的应力发光性能起源于界面特异的成键结构,引起了能带偏移,能够有效降低应力发光过程中电子激发和转移的能垒,从而显著提高发光效率。与此同时,通过镧系元素的掺杂调控,该异质结结构可实现覆盖全光谱的发光。该工作对于未来制备可重复性的高效应力发光设备奠定了良好的基础,并且为未来优化应力发光基质材料选择提供了新的思路,拓宽了未来应力发光发展的方向。