北理工團隊在二維呼吸籠目半導體的光學性質(zhì)方面取得新進展

作者：集小微 4小時前

來源：北京理工大學 #二維材料# #籠目結(jié)構(gòu)# #激子物理#

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近日，北京理工大學集成電路與電子學院孫家濤教授團隊在二維呼吸型籠目材料的光學性質(zhì)領域理論研究取得重要進展，相關成果以：”Valley-Selective Optical Absorption and GiantExciton Binding Energy of Breathing Kagome Semiconductor with Nearly Flat Band” (呼吸籠目半導體的能谷極化與巨大激子結(jié)合能)為題發(fā)表于國際知名期刊《ACS NANO》（IF：15.8，中科院大類一區(qū)）。

二維籠目(Kagome)材料具有特殊的實空間共角的六方原子排布構(gòu)型，其動量空間在費米能級附近同時存在拓撲平帶與狄拉克錐，這些獨特的電子結(jié)構(gòu)導致其產(chǎn)生包括拓撲超導、分數(shù)量子霍爾效應、自旋三重態(tài)激子絕緣體等多種新奇量子物態(tài)。當籠目晶格中的對角三角形（子晶格）不再相等時，體系中的空間反演對稱性被打破，進而形成呼吸型籠目晶格(Breathing Kagome Lattice)。這使原本無質(zhì)量的狄拉克費米子獲得有效質(zhì)量，從而打開能隙形成半導體，這些獨特的籠目半導體材料不僅蘊含著深刻的高階拓撲物態(tài)(npj Quantum Materials 2023, 8: 16)，也使其在光電器件領域具有潛在應用。然而，目前對于這類材料中拓撲平帶引發(fā)的光學性質(zhì)仍缺乏深入且系統(tǒng)的研究。

本工作中，作者基于第一性原理計算與多體微擾理論，系統(tǒng)研究了籠目半導體Ta?SBr?的光學性質(zhì)與激子性質(zhì)。根據(jù)三維呼吸型籠目晶格Ta?SBr?的原子結(jié)構(gòu)為基礎，通過引入了一種幾何自由度，作者研究了兩種不同的二維呼吸型籠目原子結(jié)構(gòu)。通過對電子布洛赫態(tài)的分析，發(fā)現(xiàn)這兩種結(jié)構(gòu)均在動量空間高對稱點K/K′表現(xiàn)出對手性圓偏振光的選擇性吸收，這與它們在K/K′點的相反的貝利曲率一致。由于費米能級附近存在平帶，Ta?SBr?中載流子具有極大的有效質(zhì)量，且主要局限于Ta原子，這顯著削弱了體系中的介電屏蔽效應，并導致極大的激子束縛能。上述提及的原子幾何自由度導致兩種結(jié)構(gòu)在能帶結(jié)構(gòu)及激子包絡函數(shù)分布上具有明顯差異，使得二者的基態(tài)激子在光學活性與輻射壽命方面存在顯著不同。此外，載流子的巨大有效質(zhì)量導致基態(tài)激子的輻射壽命遠長于常見的二維TMDs材料，表明該材料體系中激子的高度穩(wěn)定性。本研究不僅展示了籠目半導體作為激子物理研究平臺的潛力，也揭示了其在谷電子學與各向異性光電子器件中的應用前景。

北京理工大學為第一通訊單位，北京理工大學集成電路與電子學院博士研究生郭競達為本文第一作者，孫家濤教授為論文通訊作者。本工作得到了北京理工大學李元昌教授，中國科學院物理研究所孟勝研究員和杜世萱研究員的大力支持。該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃（2024YFA1207800，2020YFA0308800）、國家自然科學基金（12374172，11974045，61888102）等項目提供的資金支持。

Jingda Guo, Hongyan Ji, Meng Liu, Hui Zhou, Ting Lai, Shixuan Du, Sheng Meng, and Jia-Tao Sun*. Valley-Selective Optical Absorption and Giant Exciton Binding Energy of Breathing Kagome Semiconductor with Nearly Flat Band. ACS Nano, 2025. 19(16): 15322-15330.