中國科大二維材料激子效應(yīng)的理論研究取得重要進展

日期：2015年08月18日 來源：安徽省科技廳

近日，中國科大合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室國際功能材料量子設(shè)計中心在二維材料激子效應(yīng)的理論研究方面取得重要進展，研究人員利用GW-BSE方法計算了單層黑磷、氟化石墨烯、氮化硼等一系列二維材料的激子結(jié)合能，并揭示出此類材料的激子結(jié)合能與其準粒子能隙之間存在顯著的線性標度關(guān)系。該研究成果以“Linear Scaling of the Exciton Binding Energy versus the Band Gap of Two-Dimensional Materials”為題于8月7日發(fā)表在國際權(quán)威物理學雜志《物理評論快報》上，中心博士后Jinho Choi與微尺度國家實驗室崔萍博士為共同第一作者。

激子結(jié)合能也稱激子效應(yīng)，是分離組成激子的電子-空穴對所需要提供的能量，其大小在許多基于半導(dǎo)體的光伏與光電器件的工作效率中起著至關(guān)重要的作用。精確確定不同維度的各種材料的激子結(jié)合能，具有廣泛的基礎(chǔ)與應(yīng)用價值。在已報道的不同維度的材料體系里，激子結(jié)合能的變化范圍很廣。三維體系，如半導(dǎo)體體材料，由于有效的庫侖屏蔽作用，使得這類材料中只能形成弱束縛的激子，其結(jié)合能一般只有幾十毫電子伏特。隨著體系的維度降低，庫侖屏蔽作用也會減弱，從而導(dǎo)致更強的激子效應(yīng)。近期的研究發(fā)現(xiàn)，很多一維和二維材料的激子結(jié)合能都比相應(yīng)的體材料大得多，相應(yīng)的激子效應(yīng)也更加顯著，從而可為設(shè)計新的能量轉(zhuǎn)換器件提供新機遇。

在以往的研究里，每發(fā)現(xiàn)一種新的有重要影響的低維材料體系，人們總習慣地采用最先進的計算和實驗方法確定其激子結(jié)合能。在新的研究里，Jinho Choi和崔萍博士等人利用GW-Bethe-Salpeter-Equation (GW-BSE)方法首先計算了實驗上新近發(fā)現(xiàn)的兩種層狀二維材料的激子結(jié)合能：黑磷（由陳仙輝教授研究組近年首次生長出高質(zhì)量黑磷單晶）和氟化石墨烯。它們的激子結(jié)合能分別是0.85 eV和2.03 eV，再次驗證了二維材料由于庫侖屏蔽作用的減弱而具有很強的激子效應(yīng)。更重要的是，他們將這些結(jié)果與其它幾個有代表性的層狀材料體系的激子效應(yīng)作為整體考慮，發(fā)現(xiàn)二維半導(dǎo)體材料的激子結(jié)合能與準粒子能隙之間存在顯著的線性標度關(guān)系，如圖所示。利用類氫模型，結(jié)合k.p微擾理論，他們進一步解釋了這種線性關(guān)系存在的內(nèi)在物理原因，并用具體例子展示了這一標度關(guān)系對確定其它二維體系激子效應(yīng)的普適性預(yù)測功能。

上述研究得到了國家自然科學基金委、教育部、中國科學院和科技部的資助。