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　　近日(ri)，寧波東方(fang)(fang)理(li)(li)工大(da)學(xue)理(li)(li)學(xue)部物(wu)理(li)(li)學(xue)院(yuan)(yuan)院(yuan)(yuan)長、講席教授魏(wei)蘇(su)淮，聯合中(zhong)國科學(xue)院(yuan)(yuan)長春(chun)光(guang)學(xue)精(jing)密機械與(yu)物(wu)理(li)(li)研(yan)究所石芝銘、孫曉娟、黎大(da)兵團隊，在(zai)寬禁帶氮(dan)化物(wu)載流子動力學(xue)研(yan)究方(fang)(fang)面(mian)取得重要進展，提出通過界(jie)面(mian)缺陷工程(cheng)加(jia)速電子冷(leng)卻(que)的(de)新策(ce)略，有(you)效解決了長期(qi)困(kun)擾氮(dan)化物(wu)紫外發(fa)光(guang)二極管(LED)效率(lv)的(de)載流子不對稱注入問題。該成果于2025年7月8日(ri)以“Overcoming asymmetric carrier injection in III-nitride light-emitting diodes through defect engineering”為題發(fa)表在(zai)物(wu)理(li)(li)學(xue)頂級期(qi)刊《物(wu)理(li)(li)評論快報》(Physical Review Letters)上(shang)。

第(di)一性原理(li)(li)計算揭示了界面缺陷(xian)促進(jin)電子冷卻的物理(li)(li)機制

　　AlGaN基紫外(wai)LED作為(wei)下一代高密度(du)光存儲(chu)、殺菌消毒、和(he)空(kong)氣凈化(hua)等領域的核心器件，其效率(lv)瓶頸的一個關鍵在于(yu)電(dian)子與空(kong)穴冷(leng)卻速率(lv)的不(bu)對(dui)稱(cheng)性：電(dian)子能量(liang)弛(chi)豫(yu)過程顯著慢于(yu)空(kong)穴，導致輻射復合效率(lv)低下。傳統方案常通(tong)過引入電(dian)子阻擋層(EBL)以提升電(dian)子注入效率(lv)，但存在設計復雜、額外(wai)勢(shi)壘和(he)材料不(bu)兼(jian)容等問(wen)題，難以從根本(ben)上優(you)化(hua)載流子動力學。

　　魏蘇淮教授(shou)和石芝銘(ming)、孫(sun)曉(xiao)娟、黎(li)大兵研(yan)究(jiu)(jiu)員團隊(dui)基于對氮(dan)化物能(neng)(neng)帶結構(gou)和載流子(zi)(zi)動力學(xue)的(de)(de)分析(xi)，首次(ci)提(ti)出通過調控(kong)(kong)GaN/AlN量(liang)子(zi)(zi)阱界(jie)面的(de)(de)氮(dan)空(kong)位缺(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)，實現(xian)對電(dian)子(zi)(zi)冷(leng)卻(que)速率(lv)的(de)(de)有(you)效增(zeng)強(qiang)。這些(xie)缺(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)狀(zhuang)態(tai)作(zuo)為(wei)中間(jian)能(neng)(neng)級，能(neng)(neng)夠顯著(zhu)加強(qiang)電(dian)子(zi)(zi)-聲子(zi)(zi)相(xiang)互作(zuo)用(yong)(yong)，從而加速電(dian)子(zi)(zi)向(xiang)導(dao)(dao)帶底(di)冷(leng)卻(que)。第一性(xing)原理(li)計(ji)算表明，該策略可使電(dian)子(zi)(zi)冷(leng)卻(que)時間(jian)縮短超過一個數量(liang)級，有(you)效實現(xian)與(yu)空(kong)穴冷(leng)卻(que)速率(lv)的(de)(de)動態(tai)平衡，大幅提(ti)升(sheng)發光(guang)效率(lv)。與(yu)傳統(tong)EBL結構(gou)相(xiang)比，該方法無(wu)需額(e)外(wai)結構(gou)設(she)計(ji)，即可實現(xian)電(dian)子(zi)(zi)動力學(xue)的(de)(de)精(jing)準調控(kong)(kong)。該研(yan)究(jiu)(jiu)還進一步拓展了(le)半(ban)導(dao)(dao)體缺(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)物理(li)的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)邊界(jie)，系統(tong)驗證了(le)缺(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)在調控(kong)(kong)器(qi)件性(xing)能(neng)(neng)方面的(de)(de)“有(you)益性(xing)”作(zuo)用(yong)(yong)，顛(dian)覆了(le)缺(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)是(shi)有(you)害的(de)(de)傳統(tong)認(ren)知，為(wei)新(xin)一代電(dian)子(zi)(zi)與(yu)光(guang)電(dian)子(zi)(zi)器(qi)件的(de)(de)缺(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)工程(cheng)設(she)計(ji)提(ti)供了(le)理(li)論支(zhi)撐和新(xin)思路。

　　上(shang)述成(cheng)果(guo)深化(hua)了(le)對(dui)寬禁帶氮化(hua)物中(zhong)載(zai)流子動力學與缺陷相互作用機制的理解，對(dui)提(ti)升紫外LED內(nei)量(liang)子效(xiao)率(lv)、實現高(gao)性能(neng)光電器件具有重要意義。

圖1 (a)GaN/AlN 量(liang)子(zi)阱載(zai)流(liu)子(zi)動(dong)力學示意(yi)圖：左側為(wei)在本征體系，Eg2 的存(cun)在導致了電子(zi)冷卻(que)(que)緩慢;右側為(wei)Eg2中引入缺(que)陷能級(ji)導致態(tai)密度增加，從而(er)加速冷卻(que)(que)。氮化鎵熱載(zai)流(liu)子(zi)的冷卻(que)(que)過程(b)和平均自由程(c)。

圖(tu)2 點缺(que)陷在量(liang)子阱內的(de)空間分布和缺(que)陷狀態的(de)能量(liang)分布

　　該論文的第(di)一作者(zhe)是中(zhong)國科學院長春(chun)光機所(suo)博士生楊喻心，通訊作者(zhe)是石芝銘研(yan)(yan)究員(yuan)、魏蘇(su)淮教授(shou)、孫(sun)曉娟研(yan)(yan)究員(yuan)和黎(li)大兵研(yan)(yan)究員(yuan)。

　　論文鏈(lian)接：//doi.org/10.1103/kt15-x472

　　魏(wei)蘇淮教授(shou)現任(ren)寧波(bo)東方(fang)理工大(da)學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)講席(xi)教授(shou)、物(wu)理學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)院(yuan)(yuan)長，國(guo)家重點專(zhuan)項首席(xi)科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)家，國(guo)家基金委重大(da)項目(mu)負責人，美國(guo)物(wu)理學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)會會士(shi)(APS Fellow)，美國(guo)材(cai)(cai)(cai)料研究(jiu)學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)會會士(shi)(MRS Fellow)。1981年(nian)(nian)(nian)本科(ke)(ke)畢業于復(fu)旦大(da)學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)并通過CUSPEA項目(mu)去美國(guo)留學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)，1985年(nian)(nian)(nian)在(zai)(zai)美國(guo)威廉瑪(ma)麗學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)(yuan)取得理學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)博士(shi)學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)位(wei)，1985年(nian)(nian)(nian)-2015年(nian)(nian)(nian)在(zai)(zai)美國(guo)可再生能(neng)(neng)(neng)源國(guo)家實驗室(NREL)工作，2015年(nian)(nian)(nian)回國(guo)前擔任(ren)NREL理論(lun)(lun)研究(jiu)室主(zhu)任(ren)，國(guo)家實驗室Fellow，2015年(nian)(nian)(nian)-2024年(nian)(nian)(nian)任(ren)北京計(ji)(ji)算科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)研究(jiu)中心講席(xi)教授(shou)、材(cai)(cai)(cai)料與(yu)能(neng)(neng)(neng)源研究(jiu)部主(zhu)任(ren)。在(zai)(zai)半導體能(neng)(neng)(neng)帶理論(lun)(lun)、缺(que)陷與(yu)合金物(wu)理、能(neng)(neng)(neng)源與(yu)光(guang)電材(cai)(cai)(cai)料設計(ji)(ji)、計(ji)(ji)算方(fang)法等方(fang)面取得了系(xi)統的原創(chuang)性成果(guo)。已發表Nature，Nature子刊，Science子刊等SCI論(lun)(lun)文(wen)600余篇(pian)，包括70余篇(pian)PRL。論(lun)(lun)文(wen)引用大(da)于84000多次，H因子140。