清華大學段文暉研究組：二維材料體系激發態的普適性規律研究取得進展

【成果簡介】

最近，清華大學物理系段文暉研究組、北京理工大學李元昌副教授以及北京大學劉志榮教授展開合作，通過第一性原理方法系統研究了一系列二維半導體材料的能隙及激子束縛能，觀察到在這兩個物理量之間存在一個穩定的、不依賴于任何參數或物理常數的線性關系，而這在三維材料中從未被觀察到。在進一步的理論分析中，他們發現這種線性依賴關系實際上是通過以材料極化率為媒介的介電相互作用實現的，而在傳統三維材料中起重要作用的有效質量項則并未產生貢獻。相關工作以“Scaling Universality between Band Gap and Exciton Binding Energy of Two-Dimensional Semiconductors”為題發表在2017年6月30日的Physical Review Letters上，文章第一作者為物理系2014級博士生姜澤禹，該研究工作得到了國家重點研發計劃項目“二維新型量子體系的設計、調控和原型器件探索” 和國家自然科學基金委的資助。

【圖文導讀】

圖1 性能表征

不同二維半導體材料的能隙、激子束縛能分布，以及與實驗數據的對比

圖2 示意圖

能量間隙和激子之間的關系的例證。 對于具有大的Eg的系統，篩選較弱并且激子結合強烈，導致相對窄的空間延伸和高的Eb。 相反，對于具有小的Eg的系統，篩選較強并且激子結合松散，導致相對寬的空間延伸和低的Eb?。

【研究內容】

在物理學領域，不依賴于參數的普適性規律占有非常重要的地位，往往會揭示出一些深刻而基本的物理機制，對相關領域的研究產生重大的影響。而到目前為止，人們所了解到的普適性規律非常有限，例如由拓撲性導致的量子化電導、精細結構常數控制的石墨烯透光度等。近年來，對于原子級厚度二維材料的研究持續升溫，而由于量子限制效應，二維材料在很多方面展現出與三維材料截然不同的性質，這無疑為探尋新的普適性規律提供了途徑。

這一成果揭示了二維和三維體系所存在的本質不同，對低維材料基本物理性質研究提供了新的思路，也對新型二維光伏、光電、能量轉換器件的設計提供了啟示。

原文鏈接：段文暉研究組在二維材料體系激發態的普適性規律研究方面取得進展

文獻鏈接：Scaling Universality between Band Gap and Exciton Binding Energy of Two-Dimensional Semiconductors (Phys. Rev. Lett., 2017, DOI：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.266401)

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