一个超短的闪光打破了电子(红色)和空穴(蓝色)之间的键，使研究原子级薄半导体中的电荷转移过程成为可能。来源:Lukas Kroll, Jan Philipp Bange, Marcel Reutzel, Stefan Mathias: Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.adi1323

　　半导体在现代科技中随处可见，它们要么促进电流流动，要么阻断电流流动。为了了解二维半导体在未来计算机和光伏技术中的潜力，G?ttingen大学、马尔堡大学和剑桥大学的研究人员研究了这些材料中电子和空穴之间建立的键。

　　通过使用一种特殊的方法来打破电子和空穴之间的键，他们能够从微观上了解半导体界面上的电荷转移过程。研究结果发表在《科学进展》杂志上。

　　当光照在半导体上时，其能量被吸收。结果，带负电荷的电子和带正电荷的空穴在半导体中结合形成对，即激子。在大多数现代二维半导体中，这些激子具有非常高的结合能。在他们的研究中，研究人员给自己设定了调查激子空穴的挑战。

　　正如来自G?ttingen大学的物理学家和第一作者Jan Philipp Bange解释的那样:“在我们的实验室里，我们使用光发射光谱来研究量子材料中光的吸收如何导致电荷转移过程。到目前为止，我们已经集中在电子-空穴对的一部分，我们可以用电子分析仪来测量。到目前为止，我们还没有办法直接进入这些洞本身。所以，我们感兴趣的问题是，我们如何不仅能表征激子的电子，还能表征它的空穴。”

　　新型实验技术

　　为了回答这个问题，由G?ttingen大学物理系的Marcel Reutzel博士和Stefan Mathias教授领导的研究人员使用了一种特殊的光电子显微镜，并结合了高强度激光。在这个过程中，激子的分裂导致实验中测量到的电子能量的损失。

　　Reutzel解释说:“这种能量损失是不同激子的特征，取决于电子和空穴相互作用的环境。”在目前的研究中，研究人员使用了一种由两种不同的原子薄半导体组成的结构，以表明激子的空穴从一层半导体转移到另一层，类似于太阳能电池。马尔堡大学的Ermin Malic教授的团队能够用一个模型来解释这种电荷转移过程，这个模型描述了微观层面上发生的事情。

　　Mathias总结道:“在未来，我们希望利用电子和空穴之间相互作用的光谱特征，在超短时间和长度尺度上研究量子材料中的新相。这些研究可以成为开发新技术的基础，我们希望在未来对此做出贡献。”

　　参考文献:“在扭曲半导体异质结构的激子景观中探测电子-空穴库伦相关性”，作者Jan Philipp Bange, David Schmitt, Wiebke Bennecke, Giuseppe Meneghini, AbdulAziz AlMutairi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Daniel Steil, Sabine Steil, R. Thomas Weitz, g.s. Matthijs Jansen, Stephan Hofmann, Samuel Brem, Ermin Malic, Marcel Reutzel和Stefan Mathias, 2024年2月7日，Science Advances。DOI: 10.1126 / sciadv.adi1323

　　这项研究得益于德国研究基金会(DFG)资助的合作研究中心“能量转换的原子尺度控制”和“实验数学”(G?ttingen)以及马尔堡的“内部界面的结构和动力学”。