近日，北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所、寬禁帶半導(dǎo)體研究中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀(guān)物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、納光電子前沿科學(xué)中心唐寧、沈波團(tuán)隊(duì)和北京理工大學(xué)物理學(xué)院段俊熙團(tuán)隊(duì)合作在原子級(jí)薄六方氮化硼的能帶結(jié)構(gòu)研究上取得重要進(jìn)展。通過(guò)深紫外共振激發(fā)證明了原子級(jí)薄六方氮化硼（h-BN）是一種間接帶隙半導(dǎo)體，從根本上糾正了長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)界對(duì)于單層氮化硼是直接帶隙半導(dǎo)體的普遍誤解。相關(guān)研究成果以“深紫外共振激發(fā)揭示原子級(jí)薄六方氮化硼的間接帶隙特性”（Indirect band nature of atomically thin hexagonal boron nitride identified by resonant excitation in the deep ultraviolet regime）為題于2025年7月23日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上，并被選為編輯推薦文章。 

六方氮化硼是一種超寬禁帶氮化物半導(dǎo)體材料，因其獨(dú)特的光電特性備受矚目。特別是單層氮化硼，被認(rèn)為是制造高效深紫外發(fā)光器件、自旋電子器件和量子信息器件的理想材料之一。然而，對(duì)于其最基本的能帶結(jié)構(gòu)，即它究竟是直接帶隙還是間接帶隙，科學(xué)界一直存在誤解。盡管實(shí)驗(yàn)報(bào)道其作為直接帶隙半導(dǎo)體的結(jié)論已被廣泛認(rèn)可，但理論計(jì)算表明其能帶結(jié)構(gòu)為間接帶隙的可能性更大。上述矛盾?chē)?yán)重阻礙了其基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

為了澄清原子級(jí)薄六方氮化硼的帶隙本質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了深紫外波段的光致發(fā)光、共振拉曼光譜和差分反射譜等多種測(cè)量手段，對(duì)1~12層不同厚度的氮化硼樣品進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。結(jié)果表明：1~3層的氮化硼樣品中，完全觀(guān)測(cè)不到帶邊的發(fā)光信號(hào)，取而代之的是強(qiáng)烈的共振拉曼散射信號(hào)，這是典型的間接帶隙半導(dǎo)體的特征。當(dāng)樣品厚度增加到4層時(shí)，聲子輔助的間接帶隙躍遷得以被激活，首次觀(guān)測(cè)到了微弱的聲子輔助帶邊發(fā)光信號(hào)和聲子輔助間接帶隙吸收信號(hào)，隨著層數(shù)繼續(xù)增加，發(fā)光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，而共振拉曼信號(hào)則相應(yīng)減弱。研究證實(shí)無(wú)論單層還是多層六方氮化硼都是間接帶隙半導(dǎo)體。

圖1. 單層BN在紫外近共振激發(fā)下的光譜。譜峰隨激發(fā)能量而全局移動(dòng)，證明信號(hào)為共振拉曼而非光致發(fā)光。

圖2. 1~12層h-BN在深紫外共振激發(fā)下的光譜演變。1~3層僅有共振拉曼信號(hào)；光致發(fā)光信號(hào)從4層開(kāi)始出現(xiàn)，并隨層數(shù)增加而增強(qiáng)。

北京大學(xué)物理學(xué)院博士后付雷、北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士研究生胡虞卿為論文共同第一作者，北京大學(xué)唐寧教授、沈波教授和北京理工大學(xué)段俊熙副教授為共同通訊作者。該工作得到了北京大學(xué)葛惟昆教授、戴倫教授、路建明助理教授、楊懷遠(yuǎn)博士，北京理工大學(xué)姚裕貴教授等合作者的指導(dǎo)和幫助。研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目、創(chuàng)新研究群體等項(xiàng)目的支持。 

論文原文鏈接

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

（來(lái)源：北大物理，供稿：物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所）