《Science》刊发深紫外发光新路径:扭转堆叠氮化硼实现高强度输出,性能显著跃升

问题:深紫外光源长期面临“短波更难做”的产业痛点。深紫外通常指波长小于300纳米的紫外光——具有高能量和强反应性——公共卫生消杀、环境净化、精密检测、先进制造等领域的需求增长明显。目前主流固态深紫外器件多基于铝镓氮化物体系,但在更短波段效率显著下滑,同时存在光提取困难、器件热管理和可靠性等挑战,限制了高功率、小型化、低能耗深紫外光源的推广。 原因:瓶颈不只来自更高禁带宽度的材料要求,也与传统异质外延路线带来的缺陷、应力以及载流子复合效率受限有关。深紫外发光依赖超宽禁带材料,但材料体系越“硬”,外延越难,晶体质量、界面缺陷与掺杂控制等问题叠加,使器件效率、寿命与成本难以同时优化。基于此,探索不依赖传统外延应力匹配的新结构与新机理,成为学界与产业界的重要方向。 影响:据论文报道,蒙彼利埃大学Guillaume Cassabois团队提出用“扭转工程”重塑材料能带:将二维六方氮化硼(hBN)原子层以特定扭转角度堆叠,利用层间范德华作用形成稳定结构,并构建可精确调控的量子阱式能带排列,实现小于300纳米的深紫外发射。研究显示,其发光强度相比铝镓氮体系主流深紫外技术提升一个数量级以上。业内人士认为,这个成果不仅体现在亮度提升,更展示了通过层间角度与堆叠方式“设计光”的新路径:在材料本征性质之外,借助结构自由度为深紫外器件打开新的性能提升空间。 从应用端看,高强度深紫外光源有望带动多领域升级:在公共卫生与生物安全上,约265纳米等波段已广泛用于微生物灭活,更高输出与更低功耗将推动消杀设备向便携化、快速化发展;环境治理与检测上,可提升水体与空气净化效率,并促进现场快速检测设备的小型化;先进制造上,短波长光源适用于精密加工与材料固化,也为涉及的工艺提供新的光源选择;在日盲探测、保密通信等方向,深紫外固态光源性能提升有望拓展系统设计空间。 对策:从实验室走向工程应用仍需系统攻关。首先是可制造性与一致性,扭转角度的可控与稳定决定性能上限,需要更高精度、更高良率的堆叠与对准工艺;其次是器件级集成,深紫外发光不仅要“发得出”,还要“取得出”,涉及光提取结构、封装材料的耐紫外老化、热管理与电注入效率等关键环节;再次是规模化路径,二维材料工艺与现有半导体产线的衔接、晶圆级制备与成本模型仍需验证。同时,标准体系与可靠性评价也应同步推进,为产业化导入提供支撑。 前景:作为超宽禁带材料,hBN具备化学稳定、耐高温等特性,理论上可适配更严苛的应用环境。更重要的是,此次成果验证了“二维材料扭转工程”在深紫外光电领域的可行性,为后续设计更丰富的二维异质结构、实现波段可调与效率提升提供了思路。可以预期,随着角度可控堆叠、界面工程与器件架构的持续迭代,深紫外固态光源有望从“可用”走向“好用”,并在部分细分场景率先形成示范应用。

科学技术的突破,常常来自对既有路径的重新思考;法国科学家在深紫外发光领域的最新进展,不仅为长期难题提供了新的解法,也为多行业带来新的应用可能。随着研究深入和工程化推进,这项技术有望在未来深紫外光源的发展中扮演重要角色。