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2024-11-05 08:58
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编辑总结
半导体中的激子是由电子-空穴对形成的电中性准粒子。电气控制要求电子和空穴分离以形成偶极子。这种分离降低了光学活性，从而使激子呈现光学暗态。本研究利用90°扭转的黑磷层展示了一种新的激子类型，该激子具有永久偶极子。由于层混合的导带和层极化的价带，这些具有净偶极矩的层间激子是光学明亮的。这一发现以及通过几何形状调节这种激子的特性，将为光电应用提供一个有用的平台。—Ian S. Osborne研究背景
明亮的偶极激子具有电偶极子并且具有高的振荡强度，是研究相关量子现象的理想平台。它们通常依赖于在两个量子阱或两个层之间的载流子隧穿，以与非偶极激子混合，从而获得振荡强度。在本研究中，复旦大学晏湖根团队通过堆叠90°扭转的黑磷（BP）结构，发现了一种新的明亮红外偶极激子。这些激子源于重构的能带结构，展现出高的振荡强度。 最重要的是，它们继承了黑磷的线性偏振，这使得可以通过光的偏振来选择偶极子方向。此外，偶极矩和共振能量可以通过黑磷的厚度广泛调节。作者的结果展示了一个探索可调相关偶极激子的有用平台。研究亮点
1. 实验首次发现了明亮的偶极激子，通过在90°扭转的黑磷（BP）同质结构中形成，这些激子具有显著的振荡强度，并且其吸收率在室温下超过1%。2. 实验通过重构的能带结构和层间电子与层内空穴的空间限制，形成了新型的偶极激子。与传统的 TMDC 系统中的偶极激子不同，这些激子是本质上偶极的，具有可调的偶极矩。3. 研究表明，这些明亮的偶极激子可以通过光的偏振选择其偶极子方向，并且偶极矩可以通过调整不同厚度的 BP 组合进行调节，范围从 ~0.22 到 ~1.1 电子纳米，共振能量从 ~0.4 到 1.6eV。图文解读
图1. 90°转角 3+4层L 黑磷BP同质结构的消光光谱。结论展望
本文将BP同质结构中偶极激子的特性与TMDC异质层和同质层中观察到的特性进行了比较（图4D）。显然，偶极激子的工作波长范围已扩展至红外区域，这将促进创新的红外器件应用，例如多维光电探测器、光发射器、气体传感器和新兴微尺度光谱技术，这些应用都将受益于由于巨大的斯塔克效应而实现的高电调谐性。此外，通过调整BP厚度或选择不同的带间跃迁以及光偏振诱导的偶极子方向切换，可以高度调节偶极矩。这种可调性为操控偶极-偶极相互作用提供了良好的前景，这对于非线性偶极极化子、偶极复合物（如三激子、双激子等）和激子物理领域中的相关态（如凝聚、超流、偶极晶体等）具有重要的基础意义。值得注意的是，面内各向异性为这些新发现的偶极激子提供了更加丰富的物理特性，例如各向异性偶极激子扩散、各向异性偶极极化子等。Shenyang Huang et al. , Bright dipolar excitons in twisted black phosphorus homostructures. Science386, 526-531 (2024).DOI:10.1126/science.adq2977https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq2977纳米人学术QQ交流群
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