我系郭亮助理教授在Nature Physics发表了飞秒激光与二维半导体相互作用的研究成果

发布时间：2018-12-20

近日，我系郭亮助理教授以共同一作的身份在Nature Physics发表了题为“Exchange-driven intravalley mixing of excitons in monolayer transition metal dichalcogenides”的文章，该文报道了关于飞秒激光与二维半导体——单层MoS₂相互作用的研究成果。该研究内容为他在博士后研究时完成的工作。
单层MoS₂等单层过渡金属硫族化合物属于近年来备受关注的二维材料。与金属性的单层石墨烯不同，这类二维材料是具有带隙的半导体，且大部分具有直接带隙，是制作发光二极管（LED）、光电探测器等光电器件的理想材料。因此，研究这类二维材料与光的相互作用过程对于开发新型光电器件具有指导意义。
该工作从实验和理论两个方面证明了单层MoS₂中两个重要的光致激发态——跃迁A和跃迁B之间存在较强的交换相互作用（exchange interaction），从而揭示了这类二维半导体与光作用过程中的能量转化途径。该工作的实验部分中，作者采用二维电子光谱（two-dimensional electronic spectroscopy）技术对跃迁A和跃迁B的瞬态吸收过程进行同步观测，揭示了两个激子模式之间的多体作用。这是一种可以同时实现时域高分辨率与频域高分辨率的飞秒光谱技术，除可用于凝聚态体系中的多体作用研究外，还可用于微观传热学，结构生物学，以及化学反应动力学的研究。理论部分中，作者通过求解Bethe–Salpeter方程，发现了这两个激发态之间的交换相互作用，得到了与实验吻合的结果。

左图为二维电子光谱的实验装置示意图，右图为利用二维电子光谱对单层MoS₂的表征结果，对角线两侧的特征峰表明A和B两个光致激发态之间存在多体作用。

除郭亮助理教授外，该工作的共同一作还有加州大学伯克利分校物理系的研究生Meng Wu，Ting Cao，以及化学系的研究生Daniele M. Monahan，通讯作者为加州大学伯克利分校化学系的Graham R. Fleming教授和物理系的Steven Louie教授（同为美国科学院院士）。单层半导体样品由台湾国立清华大学的Yi-Hsien Lee教授课题组提供。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-018-0362-y