石墨烯中首次发现激子 将推动下一代光电材料发展

美国的研究人员首次通过使用光电流光谱和改进的傅里叶变换红外光谱技术成功地观察到了双层石墨烯中的激子。这一新成果将有助于下一代光电仪器的发展，如可调红外探测器，发光二极管和分子光谱激光器，热成像和天文应用等。

“我们观察到的激子可以用电场来调整，其具有高品质因子，吸光能力强，在技术上位于重要的中红外至太赫兹波长范围。”康奈尔大学的研究小组成员、该研究的领导者LongJu说道：“其他传统的半导体没有一个含有这样的激子。”

石墨烯是只有一个原子厚的一层碳原子，呈蜂窝格子状排列。它是一种半金属，在原始状态下不含有带隙。然而，双层石墨烯是不同的，因为通过施加电场可以在其中诱导产生大而可调的带隙，这对于单层石墨烯是不可能实现的。

研究人员推测双层石墨烯也包含可调谐激子（电子--空穴对），但是到目前为止这些从未在实验中观察到。

电子-空穴对产生显著的光电流

由康奈尔大学的PaulMcEuen，加州大学伯克利分校的FengWang，芝加哥大学的JiwoongPark和哥伦比亚大学的JamesHone领导的研究小组在六方氮化硼封装双层石墨烯（hBN-BLG）器件中观察到了高质量的激子。研究人员将BN-BLG-BN叠层放置在一块石墨局部背栅上，并在顶部沉积一层14nm的镍/铬层作为半透明的顶栅，通过此种方法来制造他们的装置。然后他们使用源电极和漏电极将电压施加到器件并测量所产生的光电流。

当用红外光照射时，在BLG中会产生电子--空穴对，并且它们会产生显著的光电流，其与双层材料吸收的光的数量成正比。McEuen及其同事利用改进的傅里叶变换红外（FTIR）光谱技术获得了光学吸收光谱，并发现了两个显著的激子共振。他们发现，可以通过应用各种大小量级的电场来调谐这些共振的频率，使这些共振在较大的波长范围内（从中红外到太赫兹）。

研究人员接着研究了BLG中的激子在施加的磁场下表现如何，并观察到源自材料中假旋转而产生非常大的磁矩。在微观层面上，这个假旋转的磁矩就是所谓的贝里曲率效应，它决定了电子态在外场中是如何演化的。Ju说到：“双层石墨烯提供了一个模型系统来理解在BLG和其他材料中的这种效应”。

BLG激子遵守完全不同的光学选择性规则

这并不是全部：康奈尔研究小组也发现BLG中的激子遵守与传统半导体中的激子完全不同的光学选择性规则。Ju解释到：“这些规则决定了在材料中特定的光学转变是否允许发生，并且可以将其理解为材料吸收光子之前和之后的角动量守恒。石墨烯中的假旋转像真实的电子自旋一样，具有角动量，从而会影响规则。事实上，我们发现BLG具有两个卷绕数，不同于单层石墨烯或其他材料。

Long说到，他和他的同事发现的关键是他们的光电流光谱测量技术，报导在Science上（DOI：10.1126/science.aam9175）。他说：“传统的光谱学不适合研究我们的BLG器件，因为它的尺寸远小于红外光束的衍射极限。我们通过收集在设备中光吸收产生的光电流克服了这个问题。这种方法不受样品尺寸或实际光波长限制，因此比其他光吸收方法提供更好的信噪比。

他补充道：“另一个重要因素是在hBN中通过封装制成BLG设备质量高。这减少了氧化物的混杂，使我们能够观察到材料的内在特性。”

一个学习激子物理的平台

他在nanotechweb网站上表示：“观察在电磁波谱的中红外到太赫兹范围内的可调谐激子对于许多技术应用以及基础物理学来说都是重要的。BLG为我们研究在可调谐半导体系统中的激子物理提供了一个平台，可以帮助我们更好地理解诸如多体相互作用以及它们与材料的电子能带结构和磁假旋转相互作用的现象”。

从技术上来看，高品质因子和激子可以通过电场调谐的事实开辟了光学和光电子应用，例如光电探测器和发光二极管。中红外和太赫兹范围对于分子光谱学，热成像和天文学应用至关重要，因为这些波长范围的技术与可见光范围相比尚不发达，所以这些技术也可以受益。在中红外到太赫兹只有少数半导体具有带隙，BLG是新颖独特的一个，特别是因为它的带隙是电子可调谐的。