武汉大学何军教授、于艺羚研究员 Phy. Rev. Lett.:基于激发电子 - 空穴相变构筑势场实现激子定向调控

武汉大学何军教授、于艺羚研究员等发表题为Exciton Steering via Potential Landscape Engineered by Excited Electron-Hole Phase Transition”于 PHYSICAL REVIEW LETTERS上。

二维单层二硫化钼内部的本征层内激子拥有极强光物质耦合作用，是光互连、激子晶体管、量子光电器件的核心理想载流子，但长久以来学界缺少高效、可灵活调控的激子定向输运驱动手段。现有调控方案分为电场调控层间激、应变调控层内激子两类，层间激子依赖异质结制备且光耦合强度弱，应变调控属于侵入式加工，难以实现动态可逆调控；而三重子对光响应微弱、散射损耗严重，各类调控手段都无法把层内激子与自由电子空穴的输运行为分离开，两种载流子传输相互耦合，很难单独操控激子运动。针对该研究瓶颈，本文以悬空单层 MoS₂为研究体系，提出依靠强光激发产生电子空穴等离子体（DEHP）形成空间渐变电势形貌，借助激子莫特相变实现全光可控激子定向输运，强光照射标记区域会钝化硫空位缺陷、形成稳定空间掺杂梯度，同步带来激子结合能与电子带隙两类反向能量梯度，使得激子与无束缚自由载流子朝着完全相反的方向漂移，结合空间光致发光成像、低温谱学、拉曼表征、含时密度泛函理论与漂移扩散模型完成全套验证。

图 1 完整展示整套全光操控激子输运实验光路结构与基础光学成像结果，把无光均匀扩散、强光诱导电势阱、样品实物、光致发光成像对比串联在一起，完整说明仅通过一束强光定点照射就能构建稳定电势形貌、远距离牵引激子的基础实验现象。原始未经过强光修饰的单层 MoS₂区域只存在均匀扩散行为，在任意位置低功率激光激发，光致发光信号只会以激发点为中心均匀向外扩散，不存在定向漂移趋势；当我们在样品一处标记点位施加高功率 532nm 激光持续照射，诱导形成简并电子空穴等离子体，该区域会形成长效空间掺杂梯度，构建束缚激子的电势形貌，之后在距离标记点 1 至 2 微米的另一位置使用低功率激光激发，产生的层内激子会沿着能量梯度持续向标记点位定向移动，成像中标记点的发光强度远高于激发点，即便激发位置的激光功率只有标记点十分之一，依旧能观测到明显激子汇聚信号，直观证明强光诱导的电势阱具备远距离捕获激子的能力。实物光学照片清晰呈现悬空单层二硫化钼薄膜轮廓，激光标记光斑与激发光斑位置区分明确，白色虚线对应激光照射范围，成像图中明暗分布直观体现激子定向迁移带来的亮度差，整套基础光学观测直接证实仅依靠光激发就能不借助电极、应变等外部条件完成激子定向导引，初步验证电子空穴高密度等离子体诱导电势形貌这一全新调控思路的可行性，也为后续变功率、低温定量实验奠定观测基础。

图 2 系统测试不同激发功率下光致发光光谱、空间成像与载流双向漂移规律，完整说明跨越激子莫特相变阈值可可逆切换激子与自由载流子相反输运行为，清晰区分低于、高于相变功率两种完全不同的载流运动模式。低功率激发（1.5 至 4.5kW/cm²）未达到激子莫特相变临界值，体系以束缚激子为主导，此时标记点位形成高激子结合能区域，所有光生激子都会沿着结合能梯度持续向标记点漂移，空间发光成像能清晰看到激发点到标记点的信号渐变；当激发功率提升至 6kW/cm² 以上，体系跨越激子莫特相变进入高密度电子空穴等离子体态，无束缚自由载流子占据主导，电子与空穴会顺着电子带隙梯度远离标记点位，此时激子漂移趋势与自由载流子扩散方向完全相反，同一电势形貌下两种准粒子呈现背向输运特征；持续升降激光功率可以实现该输运行为反复可逆切换，多次循环成像没有明显性能衰减，证明该光控过程具备高度可复现性。光谱维度上，低于相变功率时发光峰形窄、强度稳定，超过阈值后光谱持续展宽、峰值红移，源于高密度自由载流子带来多体屏蔽效应，不同功率对应的一维发光轮廓曲线直观展示激子汇聚、载流远离两种截然不同的空间分布，配套机理示意图清晰阐释同一掺杂梯度产生两套反向能量梯度，激子追随结合能变化、自由载流子追随带隙变化的核心物理图像，整套变功率成像与谱学测试完整建立激发相、能量梯度、载流输运三者的对应关系，直观呈现双向可控光控载流输运核心实验现象。

图 3 融合低温光致发光线扫、拉曼光谱、第一性原理能带计算、漂移扩散数值模拟多维度定量数据，从掺杂分布、能带重整、激子输运建模三层维度定量解析电势形貌的形成根源与激子定向漂移驱动机制。10K 低温下采集激子与三重子发光强度沿激发点到标记点的线分布，三重子 / 激子比值沿远离标记方向持续升高，直接证明标记点位电子掺杂浓度更低，强光等离子体实现硫空位缺陷钝化，局部电子密度大幅下降；拉曼 A₁g 峰在标记点位出现 0.2cm⁻¹ 蓝移，E₂g¹ 峰无明显偏移，排除应变干扰，定量算出标记区域电子掺杂浓度相比周边降低 6×10¹¹cm⁻²，和低温谱学推导的掺杂梯度数值完全吻合。含时密度泛函理论计算掺杂浓度对电子带隙、激子结合能的影响，电子掺杂升高会同步缩小带隙与激子结合能，但两者变化幅度不同，最终形成非单调光学带隙变化趋势，理论计算的带隙偏移数值与吸收、光致发光空间线扫实测数据完美匹配，定量算出标记点与外围区域存在 100 至 140meV 的激子结合能差，这一能量差就是牵引激子定向漂移的核心驱动力。漂移扩散模型代入实验测得激子寿命、湮灭系数、光吸收系数等参数，仅依靠标记点处 120meV 左右结合能势阱就能完美复现不同激发功率下一维发光空间轮廓，低功率时激子扩散系数随功率提升持续增大，高等离子体功率下自由载流子扩散占优，模拟与实验曲线高度重合，从定量层面彻底证实空间掺杂梯度诱导激子结合能梯度是激子定向输运的根本诱因，排除热、应变等其他干扰因素，完整打通实验现象到微观电子多体机理的完整逻辑链条。

图 4 补充退火对照实验与圆偏振光致发光表征，完整阐明强光诱导长效电势形貌的内在缺陷钝化机理，解释悬空单层结构对载流子俘获的增益作用。对经过高功率激光修饰的样品进行 125 摄氏度氩气退火处理，退火后标记点位的特殊发光分布完全消失，自然放置六十分钟样品信号也会自主恢复原始均匀扩散状态，证明等离子体带来的掺杂梯度属于亚稳态电荷俘获效应，不会对晶体结构造成永久性不可逆损伤；77K 低温圆偏振发光测试中，强光处理后的标记点位圆偏振度明显下降，原因是钝化缺陷减弱电子空穴交换相互作用，谷退相干速度加快，同时光致发光整体强度提升、载流子寿命变长，侧面印证硫空位这类陷阱位点被等离子体填充的电子永久钝化，陷阱介导的非辐射复合通路被大量抑制。悬空 MoS₂薄膜不存在衬底带来的额外屏蔽效应，光激发产生的高密度电子空穴对更容易被缺陷捕获，形成稳定空间掺杂梯度，衬底支撑样品无法实现同等长效电势形貌，这套退火、低温偏振对照实验清晰解释为何只有悬空体系能够实现可复现全光激子调控，厘清缺陷钝化、亚稳态电荷俘获、空间能量梯度三者的因果关联，完善整套光控激子输运完整底层机理。

文献：DOI: 10.1103/sslb-bpc9