近日，中國(guó)科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室國(guó)際功能材料量子設(shè)計(jì)中心在二維材料激子效應(yīng)的理論研究方面取得重要進(jìn)展，研究人員利用GW-BSE方法計(jì)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(zhǔn)粒子能隙之間存在顯著的線性標(biāo)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(guó)際權(quán)威物理學(xué)雜志《物理評(píng)論快報(bào)》上，中心博士后Jinho Choi與微尺度國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jià)值。在已報(bào)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(kù)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(kù)侖屏蔽作用也會(huì)減弱，從而導(dǎo)致更強(qiáng)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(jì)新的能量轉(zhuǎn)換器件提供新機(jī)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(xí)慣地采用最先進(jìn)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(jì)算了實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(yàn)證了二維材料由于庫(kù)侖屏蔽作用的減弱而具有很強(qiáng)的激子效應(yīng)。更重要的是，他們將這些結(jié)果與其它幾個(gè)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(zhǔn)粒子能隙之間存在顯著的線性標(biāo)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(jìn)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(biāo)度關(guān)系對(duì)確定其它二維體系激子效應(yīng)的普適性預(yù)測(cè)功能。

上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、教育部、中國(guó)科學(xué)院和科技部的資助。