激子是半導體中最基本的準粒子之一,是發展高效率光電器件和量子技術的核心。在傳統三維半導體中,激子束縛能通常較弱,極大地限制了其在室溫激子器件及量子科技應用中的發展。β-ZnTe(en)_0.5是一種長程有序且穩定的三維有機—無機雜化半導體,該材料可能具有巨大的激子束縛能。

最近,中國科學院半導體研究所研究員譚平恒團隊與合作者,利用一種結合單光子熒光與雙光子熒光激發光譜的聯合測量方法,成功估算了β-ZnTe(en)_0.5的激子束縛能。該方法利用了單光子躍遷與雙光子躍遷遵循不同選擇定則的特性:單光子過程只能探測具有偶宇稱的激子態(如1s基態),而雙光子過程則可以探測具有奇宇稱的激子態(如2p激發態)。通過精確測量1s態與2p態之間的能量差,并基于二維類氫模型進行分析,即可估算所測半導體材料的激子束縛能下限。

研究團隊依托自主設計研發的共聚焦顯微拉曼模塊,在室溫下清晰地觀測到了β-ZnTe(en)_0.5樣品位于3.56eV的激子基態(1s)發光,并在雙光子激發譜中發現了對應于激子激發態(2p)的共振吸收峰,二者能量差高達280meV。基于此,計算得出的激子束縛能超過315meV。該值是傳統體相ZnTe半導體(約13meV)的二十余倍,也是目前已報道的三維半導體材料中的最高值,甚至可與典型的二維半導體相媲美。

該三維雜化材料中巨大的激子束縛能,源于其獨特的“三維框架、二維內核”的超晶格結構。其中,有機分子層不僅作為無機ZnTe片層之間的間隔物,構建了穩固的三維結構,更充當了電子限域的勢壘和介電屏蔽的調制層,從而極大地增強了電子與空穴之間的庫侖相互作用,賦予了該三維材料類似二維材料的強激子效應。

相關研究成果發表在《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)上。

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三維有機無機雜化半導體激子特性研究取得進展