双层二维半导体中发现紫外层间激子

发布日期:2023-12-27     浏览次数:次   

近日,我院林楷强教授团队在二维半导体材料的激子研究方面取得了新进展,相关成果以“Ultraviolet interlayer excitons in bilayer WSe2”为题,发表于Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-023-01544-7)。德国明斯特大学物理系Ursula Wurstbauer教授同期撰写News & Views文章“Excitons stabilize above the band gap in bilayer WSe2”进行高亮评述。

激子是由库仑力束缚的电子和空穴对所形成的准粒子。激子作为载能单元,可以主导(二维)半导体材料的光电特性。近年来,层叠范德华半导体材料中的层间激子(Interlayer exciton)因其在激子凝聚、激子器件和莫尔超晶格诱导的单光子源阵列等应用方面具有很好的前景,为人们所广泛关注并详细研究。然而,这些层间激子(电荷转移态)的研究几乎都集中在带边,光谱区域在近红外波段,大大限制了层间激子的潜在应用。

有鉴于此,研究团队构筑双层 WSe2 半导体栅极器件,通过上转换荧光光谱方法探索其中的高能层间激子,最后发现了发射波长位于紫外区间的层间激子。尽管Kasha's Rule认为光子仅能由最低激发态发射,且高能激子的辐射跃迁发生在远高于带边的位置,但是该层间激子仍呈现亚稳态,表现出了仅为 1.8 meV 的窄线宽,其亮度更是单层中高能激子的50倍以上。更为重要的是,这些高能层间激子具有可切换的偶极取向,在施加面外电场的条件下,展现出显著的斯塔克劈裂(Stark splitting)。带电的高能层间激子 (high-lying trions) 能通过电场和静电掺杂两种方式实现广泛调谐,进而可以作为测量层间电场强度的一种高精度的内置传感器。该研究成果不仅大大扩宽了基于层间激子的应用光谱范围,也为探索激子电路、新兴莫尔物理提供了新机遇。

该研究工作由林楷强教授主导,联合德国雷根斯堡大学John Lupton团队(实验)和Jaroslav Fabian团队(理论)、德累斯顿工业大学Alexey Chernikov团队(实验)、不来梅大学Alexander Steinhoff团队(理论)共同合作完成,我院林楷强教授为第一作者和通讯作者,万博英超狼队为第一单位。该工作得到了德国科学基金会(443378379314695032403134862287022282390858490)和固体表面物理化学国家重点实验室的支持。


原文链接:https://www.nature.com/articles/s41565-023-01544-7

News & Views 链接:https://www.nature.com/articles/s41565-023-01559-0


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