近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室在二維材料激子效應(yīng)的理論研究方面取得新進(jìn)展。研究人員利用GW-BSE方法計算了單層黑磷、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。該研究成果發(fā)表在8月7日的《物理評論快報》上，實驗室的博士后Jinho Choi與博士崔萍為共同第一作者。

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)用價值。在已報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，庫侖屏蔽作用也會減弱，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)慣采用最先進(jìn)的計算和實驗方法確定其激子結(jié)合能。在新的研究里，研究人員利用GW-Bethe-Salpeter-Equation (GW-BSE)方法首先計算了實驗上新近發(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，再次驗證了二維材料由于庫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。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)系對確定其它二維體系激子效應(yīng)的普適性預(yù)測功能。

　　文章在評審過程中得到多位審稿人的肯定，尤其是在以統(tǒng)一精度標(biāo)準(zhǔn)下新的計算結(jié)果證明七種常見的二維體系都滿足同一標(biāo)度規(guī)律這一主要方面。一位審稿人評論到，“這些結(jié)果不僅在預(yù)言二維體系所遵從的線性標(biāo)度規(guī)律方面有耐人回味的新意，也在規(guī)范該領(lǐng)域的嚴(yán)謹(jǐn)度方面邁出了顯著的新步伐?！?/span>

二維半導(dǎo)體體系激子結(jié)合能與準(zhǔn)粒子能隙之間的線性標(biāo)度關(guān)系

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