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gy_xmc2015

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[交流] 姚望综述：二维半导体材料中的能谷激子

http://nsr.oxfordjournals.org/content/2/1/57.full

近期，单层过渡金属硫族化合物的兴起将传统半导体材料扩充到了新的二维极限。该热门二维半导体材料吸引人之处在于：（1）可见光谱段的直接能隙，这意味着它是光电应用的理想材料；（2）除自旋外，载流子同时还携带着能谷指标，即倒格矢空间不同位置的简并能量极值点，这些内部自由度可用于发展新兴的自旋和能谷电子学器件；（3）二维的限制和载流子较大有效质量导致了该材料中极强的库仑相互作用，比传统半导体材料大一个数量级以上。

在单层过渡金属硫族化合物中，导带能量最小值和价带能量最大值均是位于倒格矢空间第一布里渊区边缘的+K点和它的时间反演-K。因此，低能量的电子和空穴有一个额外的内部自由度：能谷赝自旋，用以区分在+K和-K附近这两种不同状态。过渡金属d轨道的强自旋轨道耦合使得+K和-K的价带有着很强（0.15–0.45 eV）自旋劈裂。时间反演对称性要求该自旋劈裂在K和-K符号相反，导致一个等效的自旋跟能谷赝自旋之间的耦合。有趣的是，不同能谷的带间跃迁可以被不同偏振的光子所激发，比如左旋偏振的光子只能激发+K能谷，而右旋偏振的只能激发-K能谷。该“能谷光学选择定则”使得直接用激光操控能谷赝自旋成为可能。

当价带电子被激光激发到导带之后，电子和空穴之间的库仑吸引使得它们的相对运动处于类氢原子的束缚态，形成一种被称为“激子”的准粒子。激子，以及它吸收一个额外的电子或空穴后形成的“带电激子”，一直是关于此二维半导体材料的最活跃的研究领域之一。因为强库仑束缚效应和能谷简并度的存在，相对于传统半导体材料，二维过渡金属硫族化合物中的激子具有很多新的特性。

《国家科学评论》最近发表的由香港大学俞弘毅、崔晓冬、姚望和华盛顿大学许晓栋4位作者共同撰写的“二维半导体材料中的能谷激子”综述论文（http://nsr.oxfordjournals.org/content/2/1/57.full），着重分析了与能谷自由度相关的激子新奇性质，还回顾了近期关于二维过渡金属硫族化合物中的激子的实验和理论发现。

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