激子是由电子与空穴受库伦相互作用而束缚在一起的一种准粒子，其对材料的非线性光学以及光子器件应用方面有着十分重要的影响。在二维材料中，由于介电屏蔽效应的减弱，空间束缚，以及较大的载流子有效质量，激子可以稳定的存在且激子效应十分显著。做为单元素层状材料黑磷的另一种同素异形体，紫磷不仅具有类似的范德华层状结构，且可见光区的带隙宽度使得研究磷基二维材料中的激子物理以及相关非线性光学特性变得较为容易。因此，系统地研究紫磷的激子效应对二维材料的光子学领域有着十分重要的意义。 近期，香港理工大学应用物理学系系主任、材料与器件中心实验室主任、纳米材料首席教授刘树平教授(Prof. Daniel S. P. Lau)课题组通过系统地研究化学气相输运法(CVT)制备的紫磷单晶的光致发光谱(PL)指出紫磷的PL峰中有很强的三子(trion)发射。并通过Mass action model估算出薄层紫磷的三子结合能(Trion binding energy)大致为109 meV, 其值远大于常见的各种范德华层状材料。 此外，作者发现通过氩气等离子刻蚀，部分三子会解离转化为中性激子。通过原位分析X射线光电子能谱以及透射电镜高角度暗场像得出结论认为在紫磷的生长过程中，有部分亚锡的锡碘磷杂质(stannous Sn-I-P impurities)嵌套在紫磷的晶格中。其可以提供额外电子并导致紫磷中三子的形成。 氩气等离子体刻蚀在减薄紫磷的过程中也降低了锡碘磷杂质的数量，因此刻蚀后紫磷的三子发射减弱。同时，由于刻蚀而导致的表面存在各种磷氧化物(POx)缺陷可以抽取紫磷内部的过剩电子以促进三子的解离转化。此研究成果揭示了层状的紫磷晶体是一种研究二维材料的激子物理和非线性光学的良好载体，开发新型二维光子器件奠定了基础。此研究成果以“Impurity-Induced Robust Trionic Effect in Layered Violet Phosphorus”为题发表在Advanced Optical Materials期刊上(DOI:10.1002/adom.202101538)。课题组博士后研究员李炎勇博士为第一作者。该研究得到了香港理工大学、香港研究资助局的资助支持以及南京大学固体微结构物理国家重点实验室的帮助。
本文要点
（1）化学气相输运法成功制备出具有磷管状结构的紫磷单晶。并通过拉曼光谱、X射线衍射、以及透射电镜高角度暗场像证明了紫磷的晶体结构。
（2）通过氩气等离子刻蚀，观察到紫磷中三子和中性激子的转化过程。并通过背栅静电调控法证实了紫磷PL中三子发射的存在。
（3）通过使用Mass action model估算出薄层紫磷中三子结合能大致为109 meV，远大于常见的二维范德华层状材料.
(4) 通过原子分辨的透射电镜高角度暗场像以及能量色散X射线谱证实了氩气等离子刻蚀过程中三子转化的原因，即锡碘磷杂质(Sn-I-P impurities)的减少和表面磷氧化物(POx)的存在的共同作用。
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