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美空军和能源部支持美高校研究光与物质相互作用,将提高电子和光电器件的性能

美国伦斯勒理工学院化学和生物工程助理教授Sufei Shi通过一项研究增加了业界对光与原子级薄半导体如何相互作用的理解,并创造出独特的激子复合粒子、多个电子和紧密结合在一起的空穴。这些粒子具有新的量子自由度,称为“谷自旋”。“谷自旋”类似于电子自旋,电子自旋已被广泛用于诸如硬盘等信息存储器中,并且也是量子计算的有前途的应用对象。这项研究的结果可能带来电子和光电器件的新应用,如太阳能收集器、新型激光器和量子传感器。研究成果发表在《自然通讯》杂志(Nature Communications)上,论文题目为《揭示氮化硼(BN)和二硒化钨(WSe2)中的双激子和带电激子的复合》。

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图为对光与物质相互作用的研究可以改善电子和光电器件示意图(来源:美国伦斯勒理工学院)


研究成果介绍

Shi教授的研究主要集中在低维量子材料及其量子效应,特别关注具有强光与物质相互作用的材料。这些材料包括石墨烯、过渡金属硫族化合物(TMD),例如WSe2和拓扑绝缘体。


TMD代表了一类具有优异光学和光电特性的原子级薄半导体。二维单层TMD上的光激励将产生称为激子的紧密结合的电子-空穴对,而不是像传统的体半导体那样自由地移动电子和空穴。这是由于单层TMD中存在巨大结合能,比传统半导体大几个数量级。所以,激子可以在室温下存活,因此可以应用于激子器件。


随着激子密度的增加,更多的电子和空穴对结合在一起,形成四粒子甚至五粒子的激子复合物。对多粒子激子复合物的理解不仅使得对二维光与物质相互作用有了基本的了解,而且还导致了新的应用,因为多粒子激子复合物比激子保持了更好的“谷自旋”特性。


然而,Shi教授表示:“尽管最近对TMD中激子和带电激子的理解有所发展,但对双激子结合能量的明确测量仍然是难以捉摸的。现在,我们第一次揭示了真正的双激子态,这是一种独特的四粒子复合物对光的响应,我们还揭示了带电双激子的性质,这是一种五粒子复合物。”


Shi教授的团队已经开发出一种方法来产生极其干净的样品,以揭示这种独特的光与物质相互作用。该器件是通过将多个原子级薄材料堆叠在一起而构建的,包括石墨烯、BN和WSe2,通过范德瓦尔斯(vdW)相互作用,代表了二维材料的最先进制造技术。


研究意义

Shi教授指出:“这项研究的结果可能会大力推动多粒子光学物理的发展”,并举例说明基于二维半导体潜在的新型应用。


研究团队

这项工作是美国伦斯勒理工学院与佛罗里达州塔拉哈西国家高磁场实验室、日本国家材料科学研究所合作完成的。


研究资助

研究团队中的Shi教授已获得美国空军科学研究办公室的资助;伦斯勒理工学院的物理、应用物理及天文学领域研究中心的Shengbai Zhang教授得到了美国能源部科学办公室的支持。

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