段文晖研究组在二维材料体系激发态的普适性规律研究方面取得进展

 

在物理学领域,不依赖于参数的普适性规律占有非常重要的地位,往往会揭示出一些深刻而基本的物理机制,对相关领域的研究产生重大的影响。而到目前为止,人们所了解到的普适性规律非常有限,例如由拓扑性导致的量子化电导、精细结构常数控制的石墨烯透光度等。近年来,对于原子级厚度二维材料的研究持续升温,而由于量子限制效应,二维材料在很多方面展现出与三维材料截然不同的性质,这无疑为探寻新的普适性规律提供了途径。

最近,物理系段文晖研究组、北京理工大学李元昌副教授以及北京大学刘志荣教授展开合作,通过第一性原理方法系统研究了一系列二维半导体材料的能隙及激子束缚能,观察到在这两个物理量之间存在一个稳定的、不依赖于任何参数或物理常数的线性关系,而这在三维材料中从未被观察到。在进一步的理论分析中,他们发现这种线性依赖关系实际上是通过以材料极化率为媒介的介电相互作用实现的,而在传统三维材料中起重要作用的有效质量项则并未产生贡献。

这一成果揭示了二维和三维体系所存在的本质不同,对低维材料基本物理性质研究提供了新的思路,也对新型二维光伏、光电、能量转换器件的设计提供了启示。

 

不同二维半导体材料的能隙、激子束缚能分布,以及与实验数据的对比

 

这一工作以“Scaling Universality between Band Gap and Exciton Binding Energy of Two-Dimensional Semiconductors”为题发表在2017年6月30日的Physical Review Letters上[Phys. Rev. Lett. 118, 266401 (2017)],文章第一作者为物理系2014级博士生姜泽禹,该研究工作得到了国家重点研发计划项目“二维新型量子体系的设计、调控和原型器件探索” 和国家自然科学基金委的资助。

文章链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.266401