半导体所等在三维有机无机杂化半导体激子特性研究方面取得重要进展
- 2025-11-13 14:11:318244
最近，中国科学院半导体研究所谭平恒研究员团队与美国北卡罗来纳大学张勇教授团队合作，利用一种结合单光子荧光与双光子荧光激发光谱的联合测量方法，成功估算了β-ZnTe(en)0.5的激子束缚能。该方法利用了单光子跃迁与双光子跃迁遵循不同选择定则的特性：单光子过程只能探测具有偶宇称的激子态(如1s基态)，而双光子过程则可以探测具有奇宇称的激子态(如2p激发态)。通过精确测量1s态与2p态之间的能量差，并基于二维类氢模型进行分析，即可估算所测半导体材料的激子束缚能下限。
研究团队依托谭平恒研究员团队自主设计研发的共聚焦显微拉曼模块(SmartRaman confocal micro-Raman module)，在室温下清晰地观测到了β-ZnTe(en)0.5样品位于3.56 eV的激子基态(1s)发光，并在双光子激发谱中发现了对应于激子激发态(2p)的共振吸收峰，二者能量差高达280 meV。基于此，计算得出的激子束缚能超过315 meV。该值是传统体相ZnTe半导体(约13 meV)的二十余倍，也是目前已报道的三维半导体材料中的最高值，甚至可与典型的二维半导体相媲美。该三维杂化材料中巨大的激子束缚能，源于其独特的“三维框架、二维内核”的超晶格结构。其中，有机分子层不仅作为无机ZnTe片层之间的间隔物，构建了稳固的三维结构，更充当了电子限域的势垒和介电屏蔽的调制层，从而极大地增强了电子与空穴之间的库仑相互作用，赋予了该三维材料类似二维材料的强激子效应。
该项研究成果于近期在线发表于《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society，DOI: 10.1021/jacs.5c15468)。中国科学院半导体研究所直博生梅瑞为该论文第一作者，谭平恒研究员和张勇教授为该论文的共同通讯作者。该成果实验证实了一类新型三维有机无机杂化半导体中存在的巨大激子束缚能，为解决长期存在的理论预测难题提供了关键实验证据。同时，该项工作揭示了通过有机-无机杂化策略在三维材料中实现低维量子效应的巨大潜力，为未来开发室温、低功耗的激子器件和极化激元器件奠定了坚实的研究基础。
(左)β-ZnTe(en)0.5的晶体结构及双光子荧光测试方法示意图；(中)基于双光子荧光激发光谱探测激子激发态的基本原理及二维类氢模型；(右)β-ZnTe(en)0.5的双光子荧光激发光谱 (DOI:10.1021/jacs.5c15468)