半導(dǎo)體所等在三維有機(jī)無(wú)機(jī)雜化半導(dǎo)體激子特性研究方面取得重要進(jìn)展
激子是半導(dǎo)體中最基本的準(zhǔn)粒子之一，對(duì)材料的光吸收、發(fā)射和能量傳輸過(guò)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(guò)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(shí)現(xiàn)如此巨大的激子束縛能。β-ZnTe(en)0.5是一種長(zhǎng)程有序且穩(wěn)定的三維有機(jī)－無(wú)機(jī)雜化半導(dǎo)體，由于亞納米厚度的無(wú)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(shí)驗(yàn)上難以在深紫外波段直接觀測(cè)到準(zhǔn)粒子帶隙，這一關(guān)鍵物理參數(shù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一直懸而未決，阻礙了人們對(duì)該類材料激子物理的深入理解和應(yīng)用開發(fā)。
最近，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所譚平恒研究員團(tuán)隊(duì)與美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)張勇教授團(tuán)隊(duì)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(cè)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：?jiǎn)喂庾舆^(guò)程只能探測(cè)具有偶宇稱的激子態(tài)（如1s基態(tài)），而雙光子過(guò)程則可以探測(cè)具有奇宇稱的激子態(tài)（如2p激發(fā)態(tài)）。通過(guò)精確測(cè)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(cè)半導(dǎo)體材料的激子束縛能下限。
研究團(tuán)隊(duì)依托譚平恒研究員團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)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(cè)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(duì)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(jì)算得出的激子束縛能超過(guò)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(bào)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(dú)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(wú)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(shì)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(kù)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(xiàng)研究成果于近期在線發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society，DOI:?10.1021/jacs.5c15468）。中國(guó)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(shí)驗(yàn)證實(shí)了一類新型三維有機(jī)無(wú)機(jī)雜化半導(dǎo)體中存在的巨大激子束縛能，為解決長(zhǎng)期存在的理論預(yù)測(cè)難題提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。同時(shí)，該項(xiàng)工作揭示了通過(guò)有機(jī)－無(wú)機(jī)雜化策略在三維材料中實(shí)現(xiàn)低維量子效應(yīng)的巨大潛力，為未來(lái)開發(fā)室溫、低功耗的激子器件和極化激元器件奠定了堅(jiān)實(shí)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(cè)試方法示意圖；（中）基于雙光子熒光激發(fā)光譜探測(cè)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）
