北京大学唐宁、沈波教授，北理工段俊熙副教授PRL编辑推荐||深紫外共振激发揭示原子级薄六方氮化硼的间接带隙特性

低维 昂维 低维 昂维 2025年7月26日 00:06 

2025年7月23日，北京大学物理学院唐宁、沈波教授团队、北京理工大学段俊熙副教授及其合作者们以“Indirect band nature of atomically thin hexagonal boron nitride identified by resonant excitation in the deep ultraviolet regime”为题在PRL上发表了一项工作，通过深紫外共振激发证明了原子级薄六方氮化硼（h-BN）是一种间接带隙半导体，从根本上纠正了长期以来科学界对于单层氮化硼是直接带隙半导体的普遍误解。

相关背景

六方氮化硼（h-BN）因其独特的光学和光-物质相互作用特性而备受关注，尤其是在单层结构中。然而，对于单层BN的能带结构，即它究竟是直接带隙还是间接带隙，科学界一直存在误解。尽管实验报道其作为直接带隙半导体的结论已被广泛认可，但理论计算表明其能带结构为间接带隙的可能性更大。上述矛盾严重阻碍了其基础研究和应用开发。

成果简介

本研究通过结合多种光谱技术（包括近共振深紫外光致发光、拉曼光谱和差分反射谱）系统地研究了不同层数（1-6层和12层）的原子级薄六方氮化硼（h-BN）的层依赖光学特性。研究揭示了1-3层h-BN中缺乏带边发光，表明其具有间接带隙特性，纠正了以往将单层BN归为直接带隙半导体的误解。从4层开始，带边的间接带隙发光和吸收开始出现，并且随着层数的增加，发光强度增强，表明层间相互作用和沿z轴的周期性增强了声子辅助的间接带隙跃迁。这些发现为长期争论的单层BN的带隙结构提供了明确的实验证据。

重要发现

1.间接带隙特性：1-3层h-BN中缺乏带边发光，表明其具有间接带隙特性。从4层开始，带边的间接带隙发光和吸收信号开始出现，且随着层数增加，发光强度增强。

2.层间相互作用和周期性的影响：研究发现，随着层数的增加（≥4层时），h-BN的PL强度增加，而共振拉曼信号强度减弱。这表明层间相互作用和沿z轴的周期性增强了声子辅助的间接带隙跃迁。

3.共振拉曼信号：研究还揭示了h-BN中强烈的电子-声子耦合（EPC），这对于量子光电子应用至关重要。

图文导读

图1：(a) 不同层数h-BN在蓝宝石衬底上的差分反射光谱（4 K）。黑色点为原始光谱，红色曲线为拟合曲线，其他曲线为解卷积峰，分别用虚线标记为A1–A4。(b) A1–A3在不同层数下的能量分布。插图为h-BN的第一布里渊区。 (c) 声子辅助复合过程的示意图。(d) 直接K-K吸收（A2）、声子辅助间接吸收（A3/A4）和声子辅助直接吸收（A1）的示意图。

图2：深紫外光致发光和共振拉曼光谱在拉曼位移坐标（适用于1–3L）和能量坐标（适用于1L、4–6L和12L）下的测量结果（4K温度下）。

图3：(a) 在类似激发能量（6.299–6.300 eV）下，不同层数h-BN的谱图比较。 (b) 4–6层和12层h-BN提取的发光（PL）组分比较。(c) 不同层数下，共振拉曼强度在1100–1700 cm⁻¹波数范围内的积分曲线（红色点）与光致发光强度在5.7–6.0 eV能级范围内的积分曲线（蓝色点）的演变。

图4：(a) 1–5L h-BN薄片（参考样品）在 Si/SiO₂ 基底上的光学图像，对比度已调整以提高可见度， AFM 台阶已在图像中标出。(b) 参考样品（左）与本研究中使用的样品（右）的拉曼光谱，插图为G带（1325–1400 cm^-1）的积分强度与层数的关系图，显示出明显的线性关系。

图5：用于深紫外光谱测量所用的1–6L和12L h-BN薄片的光学图像。

图6：4 K下单层BN的共振拉曼光谱解卷积分析。

论文信息：

DOI: https://doi.org/10.1103/rt4w-v9r8

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