【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 激子是半導(dǎo)體中最基本的準(zhǔn)粒子之一，對材料的光吸收、發(fā)射和能量傳輸過程起著決定性作用，是發(fā)展高效率光電器件和量子技術(shù)的核心。在傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體中，由于缺乏量子限域效應(yīng)和存在強(qiáng)烈的介電屏蔽，激子束縛能通常較弱(僅約數(shù)毫電子伏特至數(shù)十毫電子伏特)，極大地限制了其在室溫激子器件及量子科技應(yīng)用中的發(fā)展。在低維半導(dǎo)體體系(如二維過渡金屬硫族化合物和一維碳納米管)中，激子束縛能可高達(dá)數(shù)百毫電子伏特，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，目前尚不確定能否在結(jié)構(gòu)更穩(wěn)固、更易集成的三維體材料中實現(xiàn)如此巨大的激子束縛能。β-ZnTe(en)0.5是一種長程有序且穩(wěn)定的三維有機(jī)-無機(jī)雜化半導(dǎo)體，由于亞納米厚度的無機(jī)片層中電子受到顯著的量子限域，該材料可能具有巨大的激子束縛能，甚至可與低維半導(dǎo)體相媲美。但受限于其復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu)以及實驗上難以在深紫外波段直接觀測到準(zhǔn)粒子帶隙，這一關(guān)鍵物理參數(shù)的實驗驗證一直懸而未決，阻礙了人們對該類材料激子物理的深入理解和應(yīng)用開發(fā)。
 

　　最近，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所譚平恒研究員團(tuán)隊與美國北卡羅來納大學(xué)張勇教授團(tuán)隊合作，利用一種結(jié)合單光子熒光與雙光子熒光激發(fā)光譜的聯(lián)合測量方法，成功估算了β-ZnTe(en)0.5的激子束縛能。該方法利用了單光子躍遷與雙光子躍遷遵循不同選擇定則的特性：單光子過程只能探測具有偶宇稱的激子態(tài)(如1s基態(tài))，而雙光子過程則可以探測具有奇宇稱的激子態(tài)(如2p激發(fā)態(tài))。通過精確測量1s態(tài)與2p態(tài)之間的能量差，并基于二維類氫模型進(jìn)行分析，即可估算所測半導(dǎo)體材料的激子束縛能下限。
 

　　研究團(tuán)隊依托譚平恒研究員團(tuán)隊自主設(shè)計研發(fā)的共聚焦顯微拉曼模塊(SmartRaman confocal micro-Raman module)，在室溫下清晰地觀測到了β-ZnTe(en)0.5樣品位于3.56 eV的激子基態(tài)(1s)發(fā)光，并在雙光子激發(fā)譜中發(fā)現(xiàn)了對應(yīng)于激子激發(fā)態(tài)(2p)的共振吸收峰，二者能量差高達(dá)280 meV?；诖?，計算得出的激子束縛能超過315 meV。該值是傳統(tǒng)體相ZnTe半導(dǎo)體(約13 meV)的二十余倍，也是目前已報道的三維半導(dǎo)體材料中的最高值，甚至可與典型的二維半導(dǎo)體相媲美。該三維雜化材料中巨大的激子束縛能，源于其獨特的“三維框架、二維內(nèi)核”的超晶格結(jié)構(gòu)。其中，有機(jī)分子層不僅作為無機(jī)ZnTe片層之間的間隔物，構(gòu)建了穩(wěn)固的三維結(jié)構(gòu)，更充當(dāng)了電子限域的勢壘和介電屏蔽的調(diào)制層，從而極大地增強(qiáng)了電子與空穴之間的庫侖相互作用，賦予了該三維材料類似二維材料的強(qiáng)激子效應(yīng)。
 

　　該項研究成果于近期在線發(fā)表于《美國化學(xué)會志》(Journal of the American Chemical Society，DOI: 10.1021/jacs.5c15468)。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所直博生梅瑞為該論文第一作者，譚平恒研究員和張勇教授為該論文的共同通訊作者。該成果實驗證實了一類新型三維有機(jī)無機(jī)雜化半導(dǎo)體中存在的巨大激子束縛能，為解決長期存在的理論預(yù)測難題提供了關(guān)鍵實驗證據(jù)。同時，該項工作揭示了通過有機(jī)-無機(jī)雜化策略在三維材料中實現(xiàn)低維量子效應(yīng)的巨大潛力，為未來開發(fā)室溫、低功耗的激子器件和極化激元器件奠定了堅實的研究基礎(chǔ)。
 

　　(左)β-ZnTe(en)0.5的晶體結(jié)構(gòu)及雙光子熒光測試方法示意圖；(中)基于雙光子熒光激發(fā)光譜探測激子激發(fā)態(tài)的基本原理及二維類氫模型；(右)β-ZnTe(en)0.5的雙光子熒光激發(fā)光譜 (DOI:10.1021/jacs.5c15468)