首页技术中心技术动态混合激子：兼具两者的优势

混合激子：兼具两者的优势

发布时间：2025-12-26 15:32:37 阅读数： 265

图片描述

混合激子波函数的艺术表现形式，其中电子以红色显示，空穴分布以蓝色云状物表示。

更快、更高效、更通用——这是人们对未来能源生产和信息处理技术的期望。但如何才能满足这些期望呢？来自德国哥廷根大学、马尔堡大学、柏林洪堡大学和奥地利格拉茨大学的国际研究团队，如今在物理学领域取得了重大突破。

科学家们将两种极具发展前景的材料——有机半导体和二维半导体——结合起来，并利用光电子能谱和多体微扰理论研究了它们对光的综合响应。

这使得他们能够以超快的时间分辨率（即万亿分之一秒）观察和描述二维有机界面上的基本微观过程，例如能量转移。这些特性的结合有望推动下一代太阳能电池等新技术的开发。相关研究成果发表于《自然·物理学》杂志。

实验是如何进行的

在实验中，研究人员利用一种名为动量显微镜的先进光电子能谱技术，对光操控下的电子结构进行可视化。由此产生的“影像”展示了激子（由电子和空穴束缚的量子力学粒子）如何先被激发，然后转化为新的激子种类。

基于每种激子独特的谱学特征，并结合激子分布的理论计算，研究人员得以精确观察能量在二维有机界面上的吸收和分布情况。值得注意的是，他们发现二维材料吸收光子后，能量可以在不到十万亿分之一秒（10⁻¹³秒）的时间内转移到有机层。

混合激子的作用

“这种超快能量转移的关键在于‘混合激子’的形成，我们现在已经找到了其明显的实验特征，”哥廷根大学的斯特凡·马蒂亚斯教授解释说。

但“混合激子”究竟是什么？激子是由半导体吸收光产生的，因此在太阳能电池和发光二极管等光电器件中发挥着核心作用。根据材料的不同，激子表现出截然不同的性质：在有机半导体中，激子通常是不移动的——它们几乎被束缚在某个位置——而二维半导体中的激子则具有极高的移动性，可以自由地在整个材料中漂浮。

然而，在有机材料和二维半导体的界面处，材料的性质和激子的性质都可能发生杂化，从而可能导致新的杂化激子的形成。这正是研究人员在二维材料WSe₂和有机半导体PTCDA的界面处观察到的现象。

对未来技术的影响

“我们的研究成果使我们能够更好地理解并有效利用半导体纳米结构中能量和电荷转移背后的基本过程。这是开发高效太阳能电池、超快光电子元件以及量子技术新应用的关键一步，”哥廷根大学的维布克·贝内克（Wiebke Bennecke）解释道，她是这项研究的第一作者。她补充说：“值此量子力学诞生一百周年之际，我们的发现有力地证明了量子力学对当今未来技术的重要性。”