半導(dǎo)體材料中明暗激子躍遷的動(dòng)力變化

來(lái)源：PHYS ORG

一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)了銳鈦礦型TiO2中明暗激子躍遷的動(dòng)力變化。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

激子是凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)中的電子和空穴通過(guò)庫(kù)侖相互作用結(jié)合形成的準(zhǔn)粒子，表現(xiàn)出明激子和暗激子的獨(dú)特特性。明激子直接與光耦合并在光吸收中發(fā)揮關(guān)鍵作用，而暗激子因其相對(duì)較長(zhǎng)的壽命，在量子信息處理、玻色-愛(ài)因斯坦凝聚和光能收集中具有重要意義。

該研究由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)趙瑾教授和鄭奇靖副教授領(lǐng)導(dǎo)，匹茲堡大學(xué)教授Hrvoje Petek合作。

該研究利用GW加上實(shí)時(shí)Bethe-Salpeter方程，結(jié)合非絕熱分子動(dòng)力學(xué)（GW + rtBSE-NAMD），探索了銳鈦礦TiO2（一種半導(dǎo)體材料，以其獨(dú)特的光吸收能力和在光激發(fā)下激活明激子的能力而聞名）中光激發(fā)明激子到強(qiáng)束縛動(dòng)量禁阻暗激子的形成動(dòng)力變化。由于材料的間接帶隙性質(zhì)，明激子最終弛豫到帶邊緣，形成暗激子。

考慮到激子內(nèi)的多體效應(yīng)——電子和空穴之間的相互作用，明暗激子躍遷展示了一條新的途徑。這一發(fā)現(xiàn)揭示了過(guò)渡過(guò)程的延長(zhǎng)時(shí)間尺度，明激子在大約100飛秒內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榘导ぷ?，比之前理解的要快幾倍。至關(guān)重要的是，激子內(nèi)的多體效應(yīng)在這一轉(zhuǎn)變過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

這項(xiàng)研究揭示了半導(dǎo)體材料的激子動(dòng)力變化如何受到多體相互作用的影響，為設(shè)計(jì)基于光的設(shè)備和能源材料提供了重要的見(jiàn)解。它還體現(xiàn)了在揭示激子復(fù)雜動(dòng)力學(xué)方面的協(xié)作努力和創(chuàng)新計(jì)算方法，為材料科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步鋪平了道路。

審核編輯 黃宇