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北京理工大學(xué)李元昌團(tuán)隊(duì)Phys. Rev. B: 鐵電極化極大提高了激子的輻射壽命

2023年6月9日,Phys. Rev. B在線發(fā)表了北京理工大學(xué)李元昌副教授課題組的研究論文,題目為《Giant enhancement of exciton radiative lifetime by ferroelectric polarization: The case of monolayer?TiOCl2》。

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激子是由庫(kù)侖相互作用束縛的電子-空穴對(duì),它們?cè)诎l(fā)光、吸收和光伏應(yīng)用中發(fā)揮著特別重要的作用。除此之外,在大于半徑的尺度上,激子可以被視為玻色子,并發(fā)生玻色-愛因斯坦凝聚。盡管理論上提出激子可以自發(fā)形成并凝聚成激子絕緣體,但到目前為止,這方面仍然缺乏決定性的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。在大多數(shù)情況下,激子表現(xiàn)為具有有限壽命的凝聚態(tài)物質(zhì)的基本激發(fā)。雖然較長(zhǎng)的壽命有利于激子凝聚,但較長(zhǎng)的壽命并不總是更好的,例如在太陽(yáng)能電池中。激子結(jié)合能和壽命是控制激子動(dòng)力學(xué)的兩個(gè)最重要的參數(shù),普遍認(rèn)為前者越大,后者越大。然而,對(duì)單層鐵電TiOCl2的第一性原理研究表明,情況并非總是如此。研究發(fā)現(xiàn),鐵電極化傾向于減弱激子結(jié)合,但提高了激子壽命。這源于自發(fā)極化誘導(dǎo)的內(nèi)建電場(chǎng)和結(jié)構(gòu)畸變的不同影響:前者總是使激子不穩(wěn)定甚至解離,而后者導(dǎo)致選擇規(guī)則的松弛并激活原本不具有光學(xué)活性的激子。它們的共同作用導(dǎo)致激子結(jié)合能減半,但壽命卻大幅增加了40倍。這項(xiàng)研究結(jié)果加深了對(duì)光與鐵電材料相互作用的理解,并為利用鐵電控制激子動(dòng)力學(xué)提供了新的見解。

北京理工大學(xué)李元昌團(tuán)隊(duì)Phys. Rev. B: 鐵電極化極大提高了激子的輻射壽命

圖1 (a)?順電和 (b) 鐵電態(tài)下單層TiOCl2的俯視圖和側(cè)視圖

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圖2??順電和鐵電態(tài)下單層TiOCl2的?(a-b)?PBE能帶和 (c-d) G0W0準(zhǔn)粒子能帶結(jié)構(gòu)

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圖3 (a-b)??順電和鐵電態(tài)下準(zhǔn)粒子帶隙內(nèi)的激子能譜及其相對(duì)振子強(qiáng)度;(c-f) PEx、PEz、FEx和FEz激子的BSE能帶結(jié)構(gòu);(g-h) PEz和FEz激子的實(shí)空間激子波函數(shù)

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圖4?(a) 不同態(tài)構(gòu)型下的激子壽命和結(jié)合能;(b)?六種態(tài)對(duì)應(yīng)的激子能帶結(jié)構(gòu)

論文鏈接

Qu, H. &?Li, Y.?Giant enhancement of exciton radiative lifetime by ferroelectric polarization: The case of monolayer?TiOCl2.?Phys. Rev. B,?2023, 107, 235407. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.235407

【其他相關(guān)文獻(xiàn)】

[1]?Jiang, Z., Liu, Z., Li, Y. et al. Scaling Universality between Band Gap and Exciton Binding Energy of Two-Dimensional Semiconductors.?Phys. Rev. Lett.,?2017, 118, 266401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.266401

[2]?Jiang, Z., Li, Y., Zhang, S. et al. Realizing an intrinsic excitonic insulator by decoupling exciton binding energy from the minimum band gap.?Phys. Rev. B,?2018, 98, 081408(R). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.081408

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