近日，林楷強(qiáng)教授團(tuán)隊在二維半導(dǎo)體材料的激子研究方面取得了新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Ultraviolet interlayer excitons in bilayer WSe2”為題，發(fā)表于Nature Nanotechnology （DOI: 10.1038/s41565-023-01544-7）。德國明斯特大學(xué)物理系Ursula Wurstbauer教授同期撰寫News & Views文章“Excitons stabilize above the band gap in bilayer WSe2”進(jìn)行高亮評述。

研究背景

 激子是由庫侖力束縛的電子和空穴對所形成的準(zhǔn)粒子。激子作為載能單元，可以主導(dǎo)（二維）半導(dǎo)體材料的光電特性。近年來，層疊范德華半導(dǎo)體材料中的層間激子（Interlayer exciton）因其在激子凝聚、激子器件和莫爾超晶格誘導(dǎo)的單光子源陣列等應(yīng)用方面具有很好的前景，為人們所廣泛關(guān)注并詳細(xì)研究。然而，這些層間激子（電荷轉(zhuǎn)移態(tài)）的研究幾乎都集中在帶邊，光譜區(qū)域在近紅外波段，大大限制了層間激子的潛在應(yīng)用。

研究內(nèi)容

有鑒于此，研究團(tuán)隊構(gòu)筑雙層 WSe2 半導(dǎo)體柵極器件，通過上轉(zhuǎn)換熒光光譜方法探索其中的高能層間激子，最后發(fā)現(xiàn)了發(fā)射波長位于紫外區(qū)間的層間激子。盡管Kasha's Rule認(rèn)為光子僅能由最低激發(fā)態(tài)發(fā)射，且高能激子的輻射躍遷發(fā)生在遠(yuǎn)高于帶邊的位置，但是該層間激子仍呈現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，表現(xiàn)出了僅為 1.8 meV 的窄線寬，其亮度更是單層中高能激子的50倍以上。更為重要的是，這些高能層間激子具有可切換的偶極取向，在施加面外電場的條件下，展現(xiàn)出顯著的斯塔克劈裂（Stark splitting）。帶電的高能層間激子 (high-lying trions) 能通過電場和靜電摻雜兩種方式實(shí)現(xiàn)廣泛調(diào)諧，進(jìn)而可以作為測量層間電場強(qiáng)度的一種高精度的內(nèi)置傳感器。該研究成果不僅大大擴(kuò)寬了基于層間激子的應(yīng)用光譜范圍，也為探索激子電路、新興莫爾物理提供了新機(jī)遇。

研究相關(guān)

該研究工作由林楷強(qiáng)教授主導(dǎo)，聯(lián)合德國雷根斯堡大學(xué)John Lupton團(tuán)隊（實(shí)驗(yàn)）和Jaroslav Fabian團(tuán)隊（理論）、德累斯頓工業(yè)大學(xué)Alexey Chernikov團(tuán)隊（實(shí)驗(yàn)）、不來梅大學(xué)Alexander Steinhoff團(tuán)隊（理論）共同合作完成，我院林楷強(qiáng)教授為第一作者和通訊作者，廈門大學(xué)為第一單位。該工作得到了德國科學(xué)基金會（443378379，314695032，403134862，287022282，390858490）和固體表面物理化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01544-7

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

（來源：廈大科技）