激子是半導(dǎo)體中最基本的準(zhǔn)粒子之一,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,激子束縛能通常較弱,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。β-ZnTe(en)_0.5是一種長程有序且穩(wěn)定的三維有機(jī)—無機(jī)雜化半導(dǎo)體,該材料可能具有巨大的激子束縛能。

最近,中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員譚平恒團(tuán)隊與合作者,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:單光子過程只能探測具有偶宇稱的激子態(tài)(如1s基態(tài)),而雙光子過程則可以探測具有奇宇稱的激子態(tài)(如2p激發(fā)態(tài))。通過精確測量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,即可估算所測半導(dǎo)體材料的激子束縛能下限。

研究團(tuán)隊依托自主設(shè)計研發(fā)的共聚焦顯微拉曼模塊,在室溫下清晰地觀測到了β-ZnTe(en)_0.5樣品位于3.56eV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)280meV。基于此,計算得出的激子束縛能超過315meV。該值是傳統(tǒng)體相ZnTe半導(dǎo)體(約13meV)的二十余倍,也是目前已報道的三維半導(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)。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)會志》(Journal of the American Chemical Society)上。

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三維有機(jī)無機(jī)雜化半導(dǎo)體激子特性研究取得進(jìn)展