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)和介觀物理全國重點實驗室、納光電子前沿科學(xué)中心唐寧、沈波團(tuán)隊和北京理工大學(xué)物理學(xué)院段俊熙團(tuán)隊合作在原子級薄六方氮化硼的能帶結(jié)構(gòu)研究上取得重要進(jìn)展。通過深紫外共振激發(fā)證明了原子級薄六方氮化硼（h-BN）是一種間接帶隙半導(dǎo)體，從根本上糾正了長期以來科學(xué)界對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《物理評論快報》（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。盡管實驗報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。上述矛盾嚴(yán)重阻礙了其基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)。

為了澄清原子級薄六方氮化硼的帶隙本質(zhì)，研究團(tuán)隊結(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量手段，對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，完全觀測不到帶邊的發(fā)光信號，取而代之的是強烈的共振拉曼散射信號，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，聲子輔助的間接帶隙躍遷得以被激活，首次觀測到了微弱的聲子輔助帶邊發(fā)光信號和聲子輔助間接帶隙吸收信號，隨著層數(shù)繼續(xù)增加，發(fā)光強度顯著增強，而共振拉曼信號則相應(yīng)減弱。研究證實無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，證明信號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；光致發(fā)光信號從4層開始出現(xiàn)，并隨層數(shù)增加而增強。

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。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家重大科研儀器研制項目、國家杰出青年科學(xué)基金項目、重點項目、創(chuàng)新研究群體等項目的支持。 

論文原文鏈接

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

（來源：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）