【儀表網 研發快訊】近日，北京理工大學集成電路與電子學院孫家濤教授團隊在二維呼吸型籠目材料的光學性質領域理論研究取得重要進展，相關成果以：”Valley-Selective Optical Absorption and GiantExciton Binding Energy of Breathing Kagome Semiconductor with Nearly Flat Band” (呼吸籠目半導體的能谷極化與巨大激子結合能)為題發表于國際知名期刊《ACS NANO》(IF：15.8，中科院大類一區)。
二維籠目(Kagome)材料具有特殊的實空間共角的六方原子排布構型，其動量空間在費米能級附近同時存在拓撲平帶與狄拉克錐，這些獨特的電子結構導致其產生包括拓撲超導、分數量子霍爾效應、自旋三重態激子絕緣體等多種新奇量子物態。當籠目晶格中的對角三角形(子晶格)不再相等時，體系中的空間反演對稱性被打破，進而形成呼吸型籠目晶格(Breathing Kagome Lattice)。這使原本無質量的狄拉克費米子獲得有效質量，從而打開能隙形成半導體，這些獨特的籠目半導體材料不僅蘊含著深刻的高階拓撲物態(npj Quantum Materials 2023, 8: 16)，也使其在光電器件領域具有潛在應用。然而，目前對于這類材料中拓撲平帶引發的光學性質仍缺乏深入且系統的研究。
本工作中，作者基于第一性原理計算與多體微擾理論，系統研究了籠目半導體Ta?SBr?的光學性質與激子性質。根據三維呼吸型籠目晶格Ta?SBr?的原子結構為基礎，通過引入了一種幾何自由度，作者研究了兩種不同的二維呼吸型籠目原子結構。通過對電子布洛赫態的分析，發現這兩種結構均在動量空間高對稱點K/K′表現出對手性圓偏振光的選擇性吸收，這與它們在K/K′點的相反的貝利曲率一致。由于費米能級附近存在平帶，Ta?SBr?中載流子具有極大的有效質量，且主要局限于Ta原子，這顯著削弱了體系中的介電屏蔽效應，并導致極大的激子束縛能。上述提及的原子幾何自由度導致兩種結構在能帶結構及激子包絡函數分布上具有明顯差異，使得二者的基態激子在光學活性與輻射壽命方面存在顯著不同。此外，載流子的巨大有效質量導致基態激子的輻射壽命遠長于常見的二維TMDs材料，表明該材料體系中激子的高度穩定性。本研究不僅展示了籠目半導體作為激子物理研究平臺的潛力，也揭示了其在谷電子學與各向異性光電子器件中的應用前景。
北京理工大學為第一通訊單位，北京理工大學集成電路與電子學院博士研究生郭競達為本文第一作者，孫家濤教授為論文通訊作者。本工作得到了北京理工大學李元昌教授，中國科學院物理研究所孟勝研究員和杜世萱研究員的大力支持。該研究得到了科技部重點研發計劃(2024YFA1207800，2020YFA0308800)、國家自然科學基金(12374172，11974045，61888102)等項目提供的資金支持。
Jingda Guo, Hongyan Ji, Meng Liu, Hui Zhou, Ting Lai, Shixuan Du, Sheng Meng, and Jia-Tao Sun*. Valley-Selective Optical Absorption and Giant Exciton Binding Energy of Breathing Kagome Semiconductor with Nearly Flat Band. ACS Nano, 2025. 19(16): 15322-15330.
圖1：呼吸型籠目半導體單層Ta?SBr?的原子結構自由度
圖2：呼吸型籠目半導體Ta?SBr?的光電性質
圖3：呼吸型籠目半導體Ta?SBr?的激子性質
圖4：呼吸型籠目半導體Ta?SBr?的激子波函數
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