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掺杂二维半导体量子阱

DOI：10.1103/PhysRevB.98.235203 期刊：Physical Review B 出版年份：2018 更新时间：2025-09-23 15:23:52
摘要： 我们提出了一项关于n型掺杂二维（2D）及准二维半导体光吸收的理论研究，该研究考虑了光生激子通过以下机制与费米海（FS）电子的相互作用：(i)泡利阻塞、(ii)库仑屏蔽、(iii)费米海电子-空穴对激发——本文限定为单对激发。因此所研究的系统由一个激子加上零个或一个费米海电子-空穴对构成。在低掺杂情况下，体系基态主要由"三子-空穴"（即与费米?？昭ㄈ踅岷系乃葱缱蛹蛹鄞昭ü钩傻娜?，含少量激子成分）组成。由于三子与光子的耦合较弱，最低吸收峰强度较低；随着掺杂浓度增加，因双粒子与四粒子态间耦合增强导致激子成分增多，该峰强度随之上升。当掺杂进一步增加时，费米海电子的泡利阻塞作用使三子-空穴复合体的束缚减弱且能量升高，此时下峰主要源自被费米海电子-空穴对修饰的激子（即激子极化子）。因此n型掺杂半导体量子阱的吸收光谱呈现两个显著峰，其最低峰本质随掺杂增加从三子-空穴转变为激子极化子。我们的研究还明确了实验观测到的三子-空穴峰与激子极化子峰之间能隙随掺杂增加而增大的物理机制——该现象甚至在反交叉效应出现前就已发生。
作者： Yia-Chung Chang，Shiue-Yuan Shiau，Monique Combescot
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研究概述 实验方案

研究目的

研究n型掺杂二维半导体量子阱中随着掺杂浓度增加，三子-空穴复合体向激子极化子的转变过程。

研究成果

研究表明，随着掺杂浓度增加，n型掺杂二维半导体中三子-空穴复合体逐渐转变为激子-极化子，这解释了吸收峰间能量差反常增大的现象。该发现为实验观测提供了物理机制，并揭示了泡利阻塞与库仑相互作用的作用。未来研究可考虑有限空穴质量、动态屏蔽效应及多重对激发等因素。

研究不足

该研究假设价带空穴质量无限大，这简化了计算但可能无法完全反映真实材料行为。其仅考虑单费米面电子-空穴对激发，忽略了高掺杂条件下显著的高阶对激发。未考虑动态屏蔽效应和能带结构影响（如过渡金属二硫化物中的情况）。该模型仅适用于二维及准二维体系，可能不适用于体半导体。

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