美國的研究人員首次通過使用光電流光譜和改進(jìn)的傅里葉變換紅外光譜技術(shù)成功地觀察到了雙層石墨烯中的激子。這一新成果將有助于下一代光電儀器的發(fā)展，如可調(diào)紅外探測器，發(fā)光二極管和分子光譜激光器，熱成像和天文應(yīng)用等。

“我們觀察到的激子可以用電場來調(diào)整，其具有高品質(zhì)因子，吸光能力強，在技術(shù)上位于重要的中紅外至太赫茲波長范圍。”康奈爾大學(xué)的研究小組成員、該研究的領(lǐng)導(dǎo)者LongJu說道：“其他傳統(tǒng)的半導(dǎo)體沒有一個含有這樣的激子。”

石墨烯是只有一個原子厚的一層碳原子，呈蜂窩格子狀排列。它是一種半金屬，在原始狀態(tài)下不含有帶隙。然而，雙層石墨烯是不同的，因為通過施加電場可以在其中誘導(dǎo)產(chǎn)生大而可調(diào)的帶隙，這對于單層石墨烯是不可能實現(xiàn)的。

研究人員推測雙層石墨烯也包含可調(diào)諧激子（電子--空穴對），但是到目前為止這些從未在實驗中觀察到。

電子-空穴對產(chǎn)生顯著的光電流

由康奈爾大學(xué)的PaulMcEuen，加州大學(xué)伯克利分校的FengWang，芝加哥大學(xué)的JiwoongPark和哥倫比亞大學(xué)的JamesHone領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在六方氮化硼封裝雙層石墨烯（hBN-BLG）器件中觀察到了高質(zhì)量的激子。研究人員將BN-BLG-BN疊層放置在一塊石墨局部背柵上，并在頂部沉積一層14nm的鎳/鉻層作為半透明的頂柵，通過此種方法來制造他們的裝置。然后他們使用源電極和漏電極將電壓施加到器件并測量所產(chǎn)生的光電流。

當(dāng)用紅外光照射時，在BLG中會產(chǎn)生電子--空穴對，并且它們會產(chǎn)生顯著的光電流，其與雙層材料吸收的光的數(shù)量成正比。McEuen及其同事利用改進(jìn)的傅里葉變換紅外（FTIR）光譜技術(shù)獲得了光學(xué)吸收光譜，并發(fā)現(xiàn)了兩個顯著的激子共振。他們發(fā)現(xiàn)，可以通過應(yīng)用各種大小量級的電場來調(diào)諧這些共振的頻率，使這些共振在較大的波長范圍內(nèi)（從中紅外到太赫茲）。

研究人員接著研究了BLG中的激子在施加的磁場下表現(xiàn)如何，并觀察到源自材料中假旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生非常大的磁矩。在微觀層面上，這個假旋轉(zhuǎn)的磁矩就是所謂的貝里曲率效應(yīng)，它決定了電子態(tài)在外場中是如何演化的。Ju說到：“雙層石墨烯提供了一個模型系統(tǒng)來理解在BLG和其他材料中的這種效應(yīng)”。

BLG激子遵守完全不同的光學(xué)選擇性規(guī)則

這并不是全部：康奈爾研究小組也發(fā)現(xiàn)BLG中的激子遵守與傳統(tǒng)半導(dǎo)體中的激子完全不同的光學(xué)選擇性規(guī)則。Ju解釋到：“這些規(guī)則決定了在材料中特定的光學(xué)轉(zhuǎn)變是否允許發(fā)生，并且可以將其理解為材料吸收光子之前和之后的角動量守恒。石墨烯中的假旋轉(zhuǎn)像真實的電子自旋一樣，具有角動量，從而會影響規(guī)則。事實上，我們發(fā)現(xiàn)BLG具有兩個卷繞數(shù)，不同于單層石墨烯或其他材料。

Long說到，他和他的同事發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵是他們的光電流光譜測量技術(shù)，報導(dǎo)在Science上（DOI：10.1126/science.aam9175）。他說：“傳統(tǒng)的光譜學(xué)不適合研究我們的BLG器件，因為它的尺寸遠(yuǎn)小于紅外光束的衍射極限。我們通過收集在設(shè)備中光吸收產(chǎn)生的光電流克服了這個問題。這種方法不受樣品尺寸或?qū)嶋H光波長限制，因此比其他光吸收方法提供更好的信噪比。

他補充道：“另一個重要因素是在hBN中通過封裝制成BLG設(shè)備質(zhì)量高。這減少了氧化物的混雜，使我們能夠觀察到材料的內(nèi)在特性。”

一個學(xué)習(xí)激子物理的平臺

他在nanotechweb網(wǎng)站上表示：“觀察在電磁波譜的中紅外到太赫茲范圍內(nèi)的可調(diào)諧激子對于許多技術(shù)應(yīng)用以及基礎(chǔ)物理學(xué)來說都是重要的。BLG為我們研究在可調(diào)諧半導(dǎo)體系統(tǒng)中的激子物理提供了一個平臺，可以幫助我們更好地理解諸如多體相互作用以及它們與材料的電子能帶結(jié)構(gòu)和磁假旋轉(zhuǎn)相互作用的現(xiàn)象”。

從技術(shù)上來看，高品質(zhì)因子和激子可以通過電場調(diào)諧的事實開辟了光學(xué)和光電子應(yīng)用，例如光電探測器和發(fā)光二極管。中紅外和太赫茲范圍對于分子光譜學(xué)，熱成像和天文學(xué)應(yīng)用至關(guān)重要，因為這些波長范圍的技術(shù)與可見光范圍相比尚不發(fā)達(dá)，所以這些技術(shù)也可以受益。在中紅外到太赫茲只有少數(shù)半導(dǎo)體具有帶隙，BLG是新穎獨特的一個，特別是因為它的帶隙是電子可調(diào)諧的。