北理工團隊在二維呼吸籠目半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)方面取得新進展
發(fā)布日期：2025-05-16 供稿：集成電路與電子學(xué)院 攝影：集成電路與電子學(xué)院
編輯：李曉雨 審核：薛正輝 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院孫家濤教授團隊在二維呼吸型籠目材料的光學(xué)性質(zhì)領(lǐng)域理論研究取得重要進展，相關(guān)成果以：”Valley-Selective Optical Absorption and GiantExciton Binding Energy of Breathing Kagome Semiconductor with Nearly Flat Band” (呼吸籠目半導(dǎo)體的能谷極化與巨大激子結(jié)合能)為題發(fā)表于國際知名期刊《ACS NANO》（IF：15.8，中科院大類一區(qū)）。
二維籠目(Kagome)材料具有特殊的實空間共角的六方原子排布構(gòu)型，其動量空間在費米能級附近同時存在拓撲平帶與狄拉克錐，這些獨特的電子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其產(chǎn)生包括拓撲超導(dǎo)、分數(shù)量子霍爾效應(yīng)、自旋三重態(tài)激子絕緣體等多種新奇量子物態(tài)。當籠目晶格中的對角三角形（子晶格）不再相等時，體系中的空間反演對稱性被打破，進而形成呼吸型籠目晶格(Breathing Kagome Lattice)。這使原本無質(zhì)量的狄拉克費米子獲得有效質(zhì)量，從而打開能隙形成半導(dǎo)體，這些獨特的籠目半導(dǎo)體材料不僅蘊含著深刻的高階拓撲物態(tài)(npj Quantum Materials 2023, 8: 16)，也使其在光電器件領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。然而，目前對于這類材料中拓撲平帶引發(fā)的光學(xué)性質(zhì)仍缺乏深入且系統(tǒng)的研究。
本工作中，作者基于第一性原理計算與多體微擾理論，系統(tǒng)研究了籠目半導(dǎo)體Ta?SBr?的光學(xué)性質(zhì)與激子性質(zhì)。根據(jù)三維呼吸型籠目晶格Ta?SBr?的原子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過引入了一種幾何自由度，作者研究了兩種不同的二維呼吸型籠目原子結(jié)構(gòu)。通過對電子布洛赫態(tài)的分析，發(fā)現(xiàn)這兩種結(jié)構(gòu)均在動量空間高對稱點K/K′表現(xiàn)出對手性圓偏振光的選擇性吸收，這與它們在K/K′點的相反的貝利曲率一致。由于費米能級附近存在平帶，Ta?SBr?中載流子具有極大的有效質(zhì)量，且主要局限于Ta原子，這顯著削弱了體系中的介電屏蔽效應(yīng)，并導(dǎo)致極大的激子束縛能。上述提及的原子幾何自由度導(dǎo)致兩種結(jié)構(gòu)在能帶結(jié)構(gòu)及激子包絡(luò)函數(shù)分布上具有明顯差異，使得二者的基態(tài)激子在光學(xué)活性與輻射壽命方面存在顯著不同。此外，載流子的巨大有效質(zhì)量導(dǎo)致基態(tài)激子的輻射壽命遠長于常見的二維TMDs材料，表明該材料體系中激子的高度穩(wěn)定性。本研究不僅展示了籠目半導(dǎo)體作為激子物理研究平臺的潛力，也揭示了其在谷電子學(xué)與各向異性光電子器件中的應(yīng)用前景。
北京理工大學(xué)為第一通訊單位，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院博士研究生郭競達為本文第一作者，孫家濤教授為論文通訊作者。本工作得到了北京理工大學(xué)李元昌教授，中國科學(xué)院物理研究所孟勝研究員和杜世萱研究員的大力支持。該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃（2024YFA1207800，2020YFA0308800）、國家自然科學(xué)基金（12374172，11974045，61888102）等項目提供的資金支持。
Jingda Guo, Hongyan Ji, Meng Liu, Hui Zhou, Ting Lai, Shixuan Du, Sheng Meng, and Jia-Tao Sun*. Valley-Selective Optical Absorption and Giant Exciton Binding Energy of Breathing Kagome Semiconductor with Nearly Flat Band. ACS Nano, 2025. 19(16): 15322-15330.
全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c14020
圖1：呼吸型籠目半導(dǎo)體單層Ta?SBr?的原子結(jié)構(gòu)自由度
圖2：呼吸型籠目半導(dǎo)體Ta?SBr?的光電性質(zhì)
圖3：呼吸型籠目半導(dǎo)體Ta?SBr?的激子性質(zhì)
圖4：呼吸型籠目半導(dǎo)體Ta?SBr?的激子波函數(shù)
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