我所齐鹏飞、刘伟伟和北京大学方哲宇AMT综述：为激子器件“助跑”，调控二维激子非平衡时空动力学

Contact: Assoc. Prof. Pengfei Qi

    随着智能时代来临，手机、电脑、互联网等已成为我们生活中不可或缺的部分，隐匿于万千设备背后，数以亿万的集成光电器件以电子和光子为能量信息载体沟通你我、连接世界，构成了现代信息技术的核心。电子作为带电粒子，由于库仑相互作用较强，对介电环境敏感，导致电子器件响应时间难以超越纳秒量级。尽管通过操纵光子，器件响应速度大幅提升，但由于光学衍射极限，光学器件的高度集成异常困难。因此，2020年4月，高速、集成、光电融合的微光电子学被中国工程院列为中国电子信息工程科技发展十六大技术挑战的首位。光电融合器件仍无法回避电子响应时间、光子高密度集成、光电模块信号转换等诸多问题。如何破解电子和光子器件在集成与速度方面难以两全的困境，构筑更小更快更节能的信息设备？二维材料体系中的激子为该问题的解决带来了一缕曙光。

     激子，由电子空穴对构成，通常可看成类氢原子的波色型准粒子，对外不显电性，玻尔半径只有纳米量级。在过去二十余年中，由于具有运算速度快、互连效率高、易于集成等潜在优势，越来越多研究者提出，发展与光电子器件深度融合的激子器件，破解集成光电子器件在处理速度、集成化方面瓶颈。多种典型激子功能器件，如调制器、存储器件、场效应器件和晶体管等，在量子阱体系中证实。然而，量子阱中激子束缚能较低，低温工作条件限制了激子器件发展。近年来，过渡金属硫化物（TMDCs）单层为室温激子器件及激子物理研究提供了理想平台：首先，由于量子限域效应，介电屏蔽作用减弱，激子束缚能高达数百毫电子伏，可在室温下稳定存在；其次，由于反转对称性破缺和自旋-轨道耦合作用，激子具有谷极化特性，类似电子电荷和自旋，可为信息编码处理提供新的自由度；最后，材料体系能带带隙，可通过电压、机械应力和掺杂等方式高效主动调控。如何像操纵电子和光子一样，实现激子非平衡时空动力学有效调控，是激子器件“起跑”第一步。因此，原子薄TMDC体系二维激子时空动力学表征与调控，引起了凝聚态物理、光学与光电子学等领域广泛关注，取得了一系列进展。

     近日，我所齐鹏飞副研究员、刘伟伟教授和北京大学物理学院的方哲宇教授在期刊Advanced Materials Technologies合作发表了题为：“Molding Two Dimensional Exciton Flux toward Room Temperature Excitonic Devices”的综述文章（DOI: 10.1002/admt.202200032），从基本原理、控制方法、奇异现象和应用前景等方面综述了二维激子流调控领域的最新进展，讨论了室温激子器件发展的机遇和挑战。综述首先概述了二维激子密度相关的时空动力学模型，根据泵浦激子密度的不同，该模型可分为线性和非线性两个区域，受到激子-带电激子、激子-声子等复杂多体相互作用影响。随后概述了应变、电场、局域介电环境、莫尔纹和本征晶界对二维激子非平衡动力学调控。讨论了激子凝聚、电子空穴液体、激子霍尔效应和激子“晕”效应等与激子非平衡动力学相关的奇异现象。概述了室温激子原型器件研究进展，包括激子开关和激子晶体管、激子波导和激子纳米激光器等。最后讨论了面向室温激子器件调控二维激子时空动力学的前景与挑战。

论文信息：

Molding 2D Exciton Flux toward Room Temperature Excitonic Devices

Pengfei Qi*, Yuchen Dai, Yang Luo, Guangyi Tao, Wenqi Qian, Zeliang Zhang, Zhi Zhang, Tian Hao Zhang, Lie Lin, Weiwei Liu*, Zheyu Fang*

Advanced Materials Technologies

DOI：10.1002/admt.202200032

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