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测量 WSe2 中的激子谷

发布时间：2025-11-03 16:22:29 阅读数： 35

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激子，也称为库仑束缚电子-空穴对，是复合玻色子，可导致半导体中的凝聚和光放大过程。

半导体的光学性质受激子控制，其中一个关键效应是模拟散射，即玻色子散射到已占据的量子态中。

激子是由电子和空穴通过库仑相互作用相互吸引而形成的束缚态。普通激子是电中性的，可以传输能量而不传输任何净电荷，但也存在带电激子。

在半导体中，当光子被半导体吸收时，就会形成激子。吸收光子会激发电子，使其跃迁到导带，并在半导体中留下空穴。

然后，由于空穴和受激电子周围有大量电子，电子之间产生了排斥性的库仑力，电子便会返回到空穴中。

二维材料（包括过渡金属二硫化物（TMDC）单层）中的激子效应要强得多。单层二硒化钨（WSe₂ ）就是这样一种TMDC，其库仑吸引力比许多其他材料都要强得多。

WSe₂是一种无机半导体，其单层形式具有有趣的性质。该薄片的结构与其他二维材料类似，采用六边形原子排列，其中每个钨原子与3个硒原子共价键合，反之亦然。

WSe 2中价带和导带的极值位于布里渊区 (BZ) 的角点，时间反演简并点（K 和 -K 谷）产生直接带隙，这使得电子和空穴带边的激子具有一定的自由度。

当激子（作为束缚的电子-空穴对）在简并的K谷中的一个（或多个）获得自由度时，它被称为激子谷。由于光学选择定则，激子谷只能被圆偏振光激发。激子谷的分类不仅取决于激发方式，还取决于自旋。激子被认为具有赝自旋。

人们已经尝试了许多不同的方法来测量激子谷的各种方面、参数和特性。由于激子谷是半导体不可或缺的组成部分，近年来，人们对进一步了解这些激子谷的需求日益迫切。

研究人员测量 WSe₂ 中激子和激子谷的方法

一组研究人员利用锁模钛蓝宝石激光器，通过泵浦-探测克尔旋转动力学方法，探测了激子谷动力学。该方法直接测量了激子谷退极化时间，结果表明在低温（4 K）下该时间为 6 ps，且弛豫时间较快。

这是由于明亮激子中强烈的电子-空穴库仑交换相互作用所致。研究人员还将晶格温度提高到 125 K，这导致退极化时间显著缩短，并记录到 1.5 ps 的时间帧。研究人员将这种温度依赖性归因于交换相互作用和激子在短程势场上的快速散射时间。

研究谷动力学的另一种方法是利用倍频光参量振荡器、锁模钛宝石激光器和同步扫描滨松条纹相机，通过带电和中性激子发射进行研究。

研究人员通过光致发光监测了中性激子（束缚电子空穴对）和带电激子（三重态激子）的发射和极化动力学。结果发现，中性激子的光致发光衰减时间为4皮秒，而三重态激子的衰减时间则长达数十皮秒。

研究发现，三重态激子极化在几十皮秒内经历了部分快速的初始衰减，之后达到稳定的20%极化。观测到的特征表明，存在一个稳定的、光学初始化的谷极化。

最新的方法是通过WSe₂上转换实现选择性激子散射。这项研究的开展源于对WSe₂单层中激子散射玻色子特性的理解不足。

研究人员发现，在动量空间的同一能谷中存在两种不同的激子，分别命名为A激子和B激子。研究人员利用低功率激发激光器（钛蓝宝石激光器，M SQUARED）在二维薄片中产生上转换，并结合低振动attoDry低温恒温器进行微光谱测量，从而在共振激发A激子存在的情况下产生B激子。

研究发现，这一过程会导致B激子发射光的偏振方向与功率相关，且为负极性；通过将波长失谐至A激子共振场之外，研究人员发现上转换信号消失。此外，研究还发现上转换后的B激子会发射交叉偏振光，且随着激光强度的增加，偏振度也随之增加。这一发现为研究人员提供了二维激子玻色子散射的首个特征信号。