基于能带边缘Weyl节点偏振奇点的动态可调谐偏振中红外发光二极管

《Nature Communications》：Dynamically tunable polarized mid-infrared light-emitting diodes from polarization singularities in a band-edge Weyl node

本研究针对传统半导体发光二极管偏振态固定难以动态调控的问题，报道了基于拓扑Weyl半导体碲（Te）的中红外发光二极管（LED）。研究团队通过构建石墨烯/碲/石墨烯（GrT/Te/GrB）范德瓦尔斯异质结器件，实现了载流子注入密度调控的偏振态动态调制，线性偏振度（DOP）可从~100%连续调节至36%。该现象源于导带底（CBM）Weyl节点处的偏振奇点特性，为拓扑光电子学提供了新平台。

　　

在光通信、信号加密和量子计算等领域，光的偏振态作为基本自由度承载着关键信息。传统半导体发光器件受限于晶体对称性和光学选择定则，其偏振态通常固定不变。尽管通过纳米结构工程可以调控偏振特性，但实现片上集成的动态可调偏振光源仍是巨大挑战。

近年来，拓扑量子材料中能带交叉态的出现为调控光-物质相互作用提供了新途径。Weyl半金属/半导体在其拓扑节点附近表现出独特的偏振响应，但以往研究多集中于电输运或超快光谱领域，其在光发射偏振调控方面的潜力尚未探索。二维Weyl半导体碲（Te）因其低晶体对称性和强自旋轨道耦合，将Weyl节点（W₃）精确位于导带底（CBM），为直接耦合拓扑能带交叉点与载流子复合提供了理想平台。

发表于《Nature Communications》的这项研究首次实现了基于能带边缘Weyl节点的动态可调偏振中红外发光二极管。研究团队通过化学气相沉积（CVD）制备高质量Te纳米片，构建Gr_T/Te/Gr_B范德瓦尔斯异质结器件，在78K温度下系统研究了不同注入电流密度下的电致发光（EL）特性。研究发现，随着电流密度从17μA/μm²增加至105μA/μm²，线性偏振度可从近100%连续调节至36%，展现出显著的偏振动态可调性。

研究团队采用的主要关键技术方法包括：化学气相沉积法制备高质量Te纳米片，范德瓦尔斯异质结器件制备技术，偏振分辨中红外光电测量系统，第一性原理计算能带结构和光学跃迁矩阵元，以及微区泵浦-探测反射光谱分析载流子动力学。所有实验材料均通过标准方法合成或制备。

偏振MIR光发射来自具有CBM中Weyl节点的2D Te

Te晶体由螺旋链通过范德瓦尔斯力堆叠而成，具有独特的准一维结构。角分辨偏振拉曼光谱显示强烈的面内各向异性。第一性原理计算表明，Te在布里渊区H点存在受时间反演对称性保护的Kramers-Weyl点，这些拓扑节点位于导带底，为偏振调控提供了基础。

Te中能带交叉的可调偏振MIR发射

通过构建非对称Gr_T/Te/Gr_B异质结器件，实现了宽范围载流子注入。电致发光光谱确认发光源自能带边缘复合而非热辐射。随着反向偏压增加，EL光谱出现蓝移和展宽，有效载流子温度从80K升至155K，表明热载流子复合过程。

动态可调偏振MIR发射的起源

理论计算表明，H点附近的Weyl节点产生偏振奇点特性。低注入时光学跃迁主要由|p_vck^x|²主导，高注入时|p_vck^z|²贡献显著增加。介电函数虚部ε₂^αα(ω)计算显示，随着光子能量增加，z轴方向跃迁贡献增大，导致偏振度降低。

不同光子能量LED的DOP比较

与黑磷（BP）、III-V族半导体、有机半导体、钙钛矿和量子点等发光器件相比，Te基LED展现出独特的动态偏振可调性。传统器件的偏振度由晶体对称性和输出耦合结构固定，而Te器件通过载流子注入密度可实现偏振态的连续调控。

研究结论表明，通过载流子注入调控，首次实现了基于能带边缘Weyl节点偏振奇点的动态可调偏振发光。Te基LED在外量子效率约2.18%的条件下，线性偏振度可通过电流控制从近100%动态调节至36%。这种可调性源于H点附近的能带填充效应和倒空间中电子跃迁的重新分布，由CBM处能带交叉Weyl节点附近的热载流子复合所主导。

该工作建立了基于能带边缘Weyl半导体发光器的原型，为研究Weyl点处的光-物质相互作用和开发中红外可调拓扑光电器件开辟了新途径。偏振奇点的发现为拓扑能带与发射光子相互作用研究提供了新平台，对发展创新光电子器件具有重要意义。