摘要：香港理工大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)系劉樹平教授課題組通過研究層狀紫磷晶體的激子發(fā)射，發(fā)現(xiàn)紫磷的光致發(fā)光峰中有很強(qiáng)的三子發(fā)射，并通過實(shí)驗(yàn)確定了紫磷的三子結(jié)合能約109 meV。證明了層狀紫磷是一種研究二維材料中光與物質(zhì)相互作用的優(yōu)異體系。
關(guān)鍵詞：Advanced Optical Materials、 層狀紫磷晶體、三子發(fā)射、香港理工大學(xué)
激子效應(yīng)在二維材料的光學(xué)特性中起著重要作用。由于維度受限、介電屏蔽效應(yīng)的減弱、以及較大的載流子有效質(zhì)量的作用，二維材料受外界光子激發(fā)產(chǎn)生的自由電子-空穴對很容易因庫倫相互作用而結(jié)合在一起形成激子準(zhǔn)粒子。而激子可以通過一系列復(fù)雜的輻射復(fù)合過程釋放出光子，通過研究二維材料的激子發(fā)射譜可以探索二維材料的許多奇特光學(xué)特性并開拓其在光子器件方面的新應(yīng)用。除了一對自由電子-空穴所形成的中性激子以外，激子還可以結(jié)合多個(gè)電子或者空穴而形成帶電激子，即三子。三子的形成為人們提供了通過控制二維材料載流子濃度來調(diào)控材料光學(xué)性能的一種手段。但是，通常情況下常見的二維材料（如石墨烯，過渡族金屬硫化物等）的三子結(jié)合能都非常小(< 50 meV), 也就意味著很難在室溫下非單層材料中觀察到二維材料的三子發(fā)射。 香港理工大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)系劉樹平教授(Prof. Daniel S. P. Lau)課題組系統(tǒng)地研究了范德華層狀紫磷晶體的三子效應(yīng)并發(fā)現(xiàn)薄層紫磷中的三子結(jié)合能在室溫下即可以高達(dá)109 meV。通過特定條件的氬氣等離子刻蝕減薄機(jī)械剝離制備的紫磷納米片，作者發(fā)現(xiàn)此過程中不僅紫磷納米片的厚度逐步減薄，而且還伴隨著部分三子的解離并轉(zhuǎn)化為中性激子。通過高分辨透射電鏡、X射線光電子能譜等一系列測試手段原位分析可以得出結(jié)論，亞錫的錫-碘-磷(stannous Sn-I-P)雜質(zhì)散布地嵌套于紫磷的晶格中提供額外電子以促進(jìn)三子的形成。氬氣等離子體在減薄紫磷納米片的同時(shí)，也減少了雜質(zhì)的存在，進(jìn)而導(dǎo)致了部分三子的解離與轉(zhuǎn)化。同時(shí)刻蝕過程所產(chǎn)生的表面磷氧化物(POx)缺陷抽取了額外電子，也進(jìn)一步促進(jìn)了三子轉(zhuǎn)化為中性激子的過程。本研究結(jié)果證實(shí)了紫磷中存在強(qiáng)三子發(fā)射，是一種研究光與物質(zhì)相互作用的優(yōu)良體系，對二維材料的非線性光學(xué)的發(fā)展有著重要意義。相關(guān)論文以“Impurity-Induced Robust Trionic Effect in Layered Violet Phosphorus”為題，在線發(fā)表在Advanced Optical Materials (DOI:10.1002/adom.202101538)。香港理工大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)系Prof. Daniel S. P. Lau教授為論文通訊作者，課題組博士后研究員李炎勇博士為論文第一作者。 本研究得到了香港理工大學(xué)研究基金(1-ZVGH和1-BD96)以及香港研究資助局(PolyU 153039/17P 和 5303219)的資助支持。并感謝南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持(M34001)。 WILEY 論文信息： Impurity-Induced Robust Trionic Effect in Layered Violet Phosphorus Yanyong Li, Songhua Cai, Wai Kin Lai, Chenhao Wang, Lukas Rogée, Lyuchao Zhuang, Lingling Zhai, Shenghuang Lin, Mingjie Li and Shu Ping Lau* Advanced Optical Materials DOI: 10.1002/adom.202101538
