▎本文由論文作者團隊投稿

▎導讀

偏振光產生、調制及探測在光通訊、激光加工、動態顯示及生物醫學成像等領域發揮著舉足輕重的作用。發展集多重光控技術于一體的多功能原型器件，有望滿足未來偏振光學對低功耗、功能集成及低成本光學元器件的發展需求。

偏振發光體兼具光發射和光調制的雙重屬性，具有許多獨特的優點，如偏振光發射和自適應光調制等。然而，傳統有機偏振發光體面臨著外場響應不靈敏、發光效率低、紫外光學穩定性差等缺點。開發外場靈敏度高、深紫外波段穩定、發光效率高的新型偏振發光體對構建多功能光控元器件意義重大。

低維無機材料由于在一個或多個維度上具有納米級尺寸，使其表現出與體相材料不同的物理性質，如極強的量子限域效應和極大的光學各向異性等。特別是，不同維度材料之間的復合異質結構表現出許多獨特的電、磁、催化和光化學性質，已經在相關應用中展現出優異的性能。然而，由于復合異質結構構建不佳以及不同維度材料之間缺乏互補的性質特性，在偏振發光體的突破上鮮有報道。

2D無機材料通常發光效率極低，但因其具有極大的幾何各向異性，而呈現了極大的光學各向異性。0D無機量子點材料在三維方向同時具有量子限閾效應而具有極高的發光效率，但因其幾何各向同性而導致了光學各向同性。

鑒于兩種不同維度的低維材料彼此優缺點互補，中國科學院深圳先進技術研究院研究團隊首次設計并合成了0D / 2D構型的全無機納米異質結構偏振發光體，實現了高效兼偏振的藍光發射。此外，基于0D / 2D偏振發光異質結構建的多功能器件，無縫地結合了發光、調光和探測光的功能，實現了可見光調制、紫外光探測和藍色發光偏振操控的多功能集成。

該研究成果以“A multifunctional optoelectronic device based on 2D material with wide bandgap”為題發表在Light: Science & Applications。該文第一作者為中國科學院深圳先進技術研究院的許洪瑋博士后，通訊作者為中國科學院深圳先進技術研究院的丁寶福副研究員，成會明院士和王鋒助理研究員。

▎全無機0D/2D異質結偏振發光體的創建

0D/2D異質結偏振發光體構建的關鍵除了不同維度之間的有效錨定復合，還需滿足兩者之間的光學特性能夠完美互補。為了避免2D材料對0D發光材料激發和發射光造成吸收淬滅，研究團隊以寬帶隙、高電場靈敏度的鈷摻雜二氧化鈦（CTO）溶液為基礎，通過化學吸附誘導Ti-O-C鍵的形成，成功構筑了CDs/CTO異質結膠體溶液（如圖1a-c）。此膠體溶液很好保留了CTO的光學各向異性特性和CDs的高效藍色發光特性（圖1d-f），表明了首個全無機CDs/CTO藍色偏振發光異質結的成功構建，這為偏振發光體材料家族納入了新成員。

圖1：a，納米片合成過程示意圖；b，碳點合成過程示意圖；c，復合結構示意圖；d，復合材料膠體性質(λ = 635 nm激光)；e, 復合材料發光性質(λ = 365 nm紫外燈)；f，復合材料正交偏振片下雙折射現象。

▎光學原型器件的多功能展示

基于發展的QDs/CTO異質結偏振發光體構建的光學器件（如圖2a），因異質結具有的二向色吸收特性而賦予了器件在360 nm ～ 385 nm波段紫外光的探測功能（如圖2b），借助CTO誘導的定向排布實現了CDs的偏振發光（如圖2c），表明了集調光、發光及探測于一體的多重光控原型器件獲得了成功構建，這為未來多功能光控器件的構筑提供了新思路和新方法參考。

圖2：a,復合材料調光-發光一體化的光學性能示意；b,對紫外波段光線的探測性能比較；c，是電場調控下復合材料不同偏振角度的發光強度比較(V = 6 V/mm)。

▎總結與展望

該項工作實現了全無機0D/2D偏振發光異質結的創建，不僅傳承了2D無機納米片的光學各向異性特性和0D量子點高效發光優勢，而且孕育出了新生的偏振發光性質。這些集成的性質優勢，共同為光學調制和探測，以及偏振發光操控提供了一種可行的原型器件。該研究結果為偏振發光材料家族納入了新成員，為其它類型異質結的開發提供了嶄新視角和新方法，未來有望在異質結常用領域如光催化、生物醫學、光通訊等，做出令人期待的貢獻。

▎論文信息

Xu, H., Liu, J., Wei, S. et al. A multifunctional optoelectronic device based on 2D material with wide bandgap. Light Sci Appl 12, 278 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01327-8