近日，东南大学倪振华教授、吕俊鹏教授课题组利用等离子体原子结构改性，提出解决高注入下二维材料发光效率滚降问题的新思路，实现了二维材料高效光致与电致发光。相关成果以《基于插层过渡金属二硫化物的高注入下效率滚降被抑制的发光二极管》（Light-emitting diodes based on intercalated transition metal dichalcogenides with suppressed efficiency roll-off at high generation rates）为题，发表在国际顶级学术期刊《Nature Electronics》上。
效率滚降一直是限制电致发光器件在高电流密度下达到峰值性能的主要因素。在强库仑作用的二维材料中，高电流密度下强烈的激子多体相互作用极易诱发激子-激子湮灭并强化非辐射复合过程，导致荧光量子产率及电致发光器件外量子效率显著降低，严重阻碍了二维材料在光电器件中的实际应用。
针对这一难题，该团队开发了一种独特的氧等离子体插层技术，通过原子结构的改性设计，成功将少层间接带隙二维材料（MoS₂和WS₂）解耦为单层堆叠的直接带隙多量子阱结构。即使在高功率激光激发下，该结构的荧光量子产率依然保持稳定。通过实验验证与理论模拟，该团队证明了激子玻尔半径和激子扩散系数的显著降低，有效抑制了激子-激子湮灭效应，进而避免了插层体系中荧光效率的滚降。基于对上述物理特性和机制的深入理解，团队进一步构建了基于插层体系的电致发光器件，并打破了现有基于MoS₂二维材料的电致发光器件外量子效率记录，为多层二维材料的光电应用提供了新的思路。
东南大学电子科学与工程学院、物理学院倪振华教授、吕俊鹏教授，物理学院章琦副研究员为本文的共同通讯作者。物理学院博士生王世选与傅强为论文的共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01264-3