【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了二維半導(dǎo)體WS2中暗激子與布里淵區(qū)邊界聲學(xué)聲子之間量子干涉導(dǎo)致的法諾(Fano)共振行為(圖1a、b)，并揭示了對(duì)稱性在其中的重要作用。相關(guān)研究成果以《少數(shù)層WS2中暗激子與邊界聲學(xué)聲子的量子干涉》(Quantum interference between dark-excitons and zone-edged acoustic phonons in few-layer WS2)為題，在線發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。
 

　　由于庫(kù)倫屏蔽作用減弱，激子效應(yīng)在二維層狀半導(dǎo)體中變得更加顯著。偶極躍遷允許的亮激子可通過(guò)光致發(fā)光直接進(jìn)行觀測(cè)，而暗激子因偶極躍遷禁介卻難以被直接觀測(cè)。暗激子的復(fù)合往往需要其他元激發(fā)如聲子等的協(xié)助，因而共振拉曼散射是比較理想的研究暗激子的實(shí)驗(yàn)手段。二維半導(dǎo)體過(guò)渡金屬硫族化物如MoS2、WS2等具有豐富的能谷結(jié)構(gòu)，在布里淵區(qū)的不同位置同時(shí)具有Γ、K、Q等能谷且能量接近，并可以發(fā)生強(qiáng)的光-物質(zhì)相互作用，是探究暗激子與聲子相互作用的優(yōu)異平臺(tái)。
 

　　研究通過(guò)不同數(shù)值孔徑下的光致發(fā)光(PL)譜確認(rèn)了少數(shù)層WS2中亮態(tài)A激子與自旋禁戒的暗態(tài)A激子的存在(圖1c、d)。對(duì)于多層WS2，其導(dǎo)帶底位于Q谷，價(jià)帶頂位于K谷，而Q-K之間躍遷的動(dòng)量正好可由布里淵邊界M點(diǎn)聲子的波矢來(lái)補(bǔ)償(圖1b、e)。因此，布里淵區(qū)邊界M點(diǎn)的一階聲子有可能通過(guò)拉曼光譜直接進(jìn)行測(cè)量，在這個(gè)過(guò)程中預(yù)期觀察到由導(dǎo)帶Q谷的電子和價(jià)帶K谷的空穴形成的暗激子參與的共振散射過(guò)程。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)選擇了與暗態(tài)A激子能量共振的激發(fā)光，進(jìn)行了低溫拉曼光譜的測(cè)量。如先前預(yù)期，研究在共振激發(fā)下可以觀測(cè)到布里淵區(qū)邊界M點(diǎn)的一階聲學(xué)聲子的拉曼模式【TA(M), ZA(M)和LA(M)】，并發(fā)現(xiàn)這些拉曼模式表現(xiàn)為不對(duì)稱的Fano線型，且與平面內(nèi)剪切聲子的Fano線型呈現(xiàn)出鏡像分布的現(xiàn)象(圖2a、c)。特別是在雙層WS2中，暗激子-聲子的強(qiáng)耦合導(dǎo)致ZA(M)聲學(xué)模式表現(xiàn)為Fano凹陷(對(duì)應(yīng)相消干涉行為)而非Fano峰(對(duì)應(yīng)相漲干涉行為)。一般而言，F(xiàn)ano共振來(lái)源于連續(xù)態(tài)和分立態(tài)之間的量子干涉。通過(guò)理論分析和系列實(shí)驗(yàn)佐證，研究確定了連續(xù)態(tài)來(lái)源于K谷空穴和Q谷電子所形成的暗激子態(tài)，而分立態(tài)來(lái)源于M點(diǎn)聲子。由于暗激子的長(zhǎng)壽命以及二維激子低的態(tài)密度，在較弱光激發(fā)下暗激子態(tài)會(huì)形成準(zhǔn)連續(xù)態(tài)。進(jìn)一步，研究通過(guò)改變激發(fā)光波長(zhǎng)(改變激子的馳豫通道以及參與聲子的模式從而破壞共振條件)和變溫拉曼光譜(改變激子能量從而破壞共振條件)對(duì)上述研究進(jìn)行驗(yàn)證。最后，研究從對(duì)稱性的角度分析了平面內(nèi)剪切模聲子、邊界聲學(xué)聲子和暗激子耦合的物理機(jī)制，揭示了聲子振動(dòng)方向以及激子對(duì)稱性對(duì)激子-聲子耦合的重要影響。
 

　　研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)、國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。廈門(mén)大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)、法國(guó)圖盧茲大學(xué)等的科研人員參與研究。
 

　　圖1.Fano共振示意圖，暗激子躍遷示意圖，亮激子暗激子的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)以及布里淵區(qū)QK與ΓM波矢匹配示意圖。

 

圖2.邊界聲學(xué)聲子Fano共振的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與振動(dòng)示意圖