近日，林楷強教授團隊在二維半導體材料的激子研究方面取得了新進展，相關成果以“Ultraviolet interlayer excitons in bilayer WSe2”為題，發表于Nature Nanotechnology （DOI: 10.1038/s41565-023-01544-7）。德國明斯特大學物理系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粒子。激子作為載能單元，可以主導（二維）半導體材料的光電特性。近年來，層疊范德華半導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的單光子源陣列等應用方面具有很好的前景，為人們所廣泛關注并詳細研究。然而，這些層間激子（電荷轉移態）的研究幾乎都集中在帶邊，光譜區域在近紅外波段，大大限制了層間激子的潛在應用。

研究內容

有鑒于此，研究團隊構筑雙層 WSe2 半導體柵極器件，通過上轉換熒光光譜方法探索其中的高能層間激子，最后發現了發射波長位于紫外區間的層間激子。盡管Kasha's Rule認為光子僅能由最低激發態發射，且高能激子的輻射躍遷發生在遠高于帶邊的位置，但是該層間激子仍呈現亞穩態，表現出了僅為 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現廣泛調諧，進而可以作為測量層間電場強度的一種高精度的內置傳感器。該研究成果不僅大大擴寬了基于層間激子的應用光譜范圍，也為探索激子電路、新興莫爾物理提供了新機遇。

研究相關

該研究工作由林楷強教授主導，聯合德國雷根斯堡大學John Lupton團隊（實驗）和Jaroslav Fabian團隊（理論）、德累斯頓工業大學Alexey Chernikov團隊（實驗）、不來梅大學Alexander Steinhoff團隊（理論）共同合作完成，我院林楷強教授為第一作者和通訊作者，廈門大學為第一單位。該工作得到了德國科學基金會（443378379，314695032，403134862，287022282，390858490）和固體表面物理化學國家重點實驗室的支持。

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）