【复旦大年夜学晏湖根课题组提醒黑磷激子束缚

  近日,我系晏湖根课题组应用傅里叶变换红外光谱,系统地研究了少层黑磷的激子效应。3月17日,相干后果以《肯定少层黑磷激子束缚能及其层数依附》(Determination of layer-dependent exciton binding energies in few-layer black phosphorus)为题在线颁布发表于美国《迷信》杂志子刊《迷信?停顿》(Science Advances 4, eaap9977, 2018)。晏湖根课题组博士后张国伟为论文第一作者,晏湖根为通信作者。物理学系研究生黄申洋、汪凡洁和邢巧霞参与研究。美国明尼苏达大年夜学Tony Low和巴西塞阿拉联邦大年夜学Andrey Chaves供给实际支撑。

  

  图1. 激子在少层黑磷中

  激子是指在空间上束缚在一同的电子-空穴对,它们经过正负电荷间的吸引力而连接,成对出现。要将激子中的正负电荷拆开需求消耗必然的能量,这就是所谓的束缚能。在低维纳米系统中,因为空间受限的增强和介电樊篱的削弱,激子效应清晰增强,个中的激子束缚能平日比体资估中的大年夜一个数量级,电子和空穴严密地绑在一同。当资料由三维改变成二维时,维度效应对激子的影响是一个十分主要的研究课题。然则,在二维过渡金属硫化物(MoS2, WS2, MoSe2, WSe2)中,如许的研究难以展开,因为只要单层才是直接带隙半导体,从两层末尾都是直接带隙半导体,资料的性质爆发突变。黑磷是最近几年来备受存眷的新型二维半导体资料,不论若干层数,都是直接带隙半导体。因此,黑磷给研究者们供给了一个抱负的平台来研究这个课题。

  课题组采取机械剥离法制备了高质量的少层黑磷样品,红外光谱丈量结果标明室温下基态(1s)激子的线宽唯一20meV(图2a),光学质量清晰优于其它二维半导体资料,比如MoS2等。得益于如此高的样质量量,课题组在2-6层黑磷中,首次不美观察到激子的激起态(2s),联合实际计算,肯定了激子束缚能,提醒了激子效应的层数依附关系,并提出一个简析的模型来刻画二维半导体资估中的特点现象(图2b)。

  课题组发明,黑磷层数越少,激子束缚能就越大年夜。这是因为,黑磷变薄以后,激子活动的空间就变小了,电子和空穴“相依为命”,勾结得越发严密;而活动空间大年夜的一对电子和空穴就很轻易“分别”,拆开它们不费吹灰之力。

  关于这一研究,审稿人赐与如许的评价:“张国伟等对黑磷中的激子效应停止了过细的研究,撰写了一篇出色的文章。此项任务中的光谱质量是极好的,超窄的激子线宽令人印象深入。实际局部包罗数值模拟是公道牢靠的。”这项任务为后续研究黑磷的激子暗态(dark states)、玻色爱因斯坦凝集、光的受激辐射等后果翻开了一扇大年夜门,为黑磷应用于红外光电子范围的研究奠定了基础。

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