Dynamikken af ​​lys-mørke exciton-overgang i et halvledermateriale

Et forskerhold har afsløret dynamikken i lys-mørke exciton-overgang i anatase TiO₂ . Deres resultater er blevet offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Excitoner, kvasipartikler dannet ved binding af elektroner og huller i kondenserede stofsystemer via Coulomb-interaktion, udviser distinkte egenskaber som lyse og mørke excitoner. Mens lyse excitoner kobles direkte sammen med lys og spiller en central rolle i lysabsorption, har mørke excitoner med deres relativt længere levetid betydning i kvanteinformationsbehandling, Bose-Einstein-kondensering og lysenergihøst.

Undersøgelsen blev ledet af Prof. Zhao Jin og Associate Prof. Zheng Qijing fra University of Science and Technology of China (USTC), i samarbejde med Hrvoje Petek, en professor fra University of Pittsburgh.

Undersøgelsen, der brugte GW plus Bethe-Salpeter-ligningen i realtid, kombineret med ikke-diabatisk molekylær dynamik (GW + rtBSE-NAMD), udforskede dannelsesdynamikken af ​​optisk exciterede lyse til stærkt bundne momentum-forbudte mørke excitoner i anatase TiO ₂ (et halvledermateriale kendt for dets exceptionelle lysabsorptionsevne og dets evne til at aktivere lyse excitoner under lysexcitation). På grund af materialets indirekte båndgab-karakter slapper lyse excitoner i sidste ende af til båndkanterne og danner mørke excitoner.

Den lyse-mørke exciton-overgang udviste en ny vej ved at overveje mange-kropseffekter i excitonerne - interaktionen mellem elektroner og huller. Denne åbenbaring afslørede en udvidet tidsskala for overgangsprocessen, hvor lyse excitoner omdannes til mørke excitoner inden for cirka 100 femtosekunder, flere gange hurtigere end tidligere forstået. Det er afgørende, at mange-kropseffekterne i excitoner spillede en central rolle under denne overgang.

Denne undersøgelse kaster lys over, hvordan halvledermaterialers excitoniske dynamik påvirkes af mange-kropsinteraktioner, og giver afgørende indsigt i design af lysbaserede enheder og energimaterialer. Det eksemplificerer også den samarbejdsmæssige indsats og innovative beregningsmæssige tilgange til at optrevle excitonernes indviklede dynamik, hvilket baner vejen for fremskridt inden for materialevidenskab og teknologi.

Flere oplysninger: Aolei Wang et al., Ultrahurtig mange-krops lys-mørke excitonovergang i anatase TiO₂ , Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2307671120

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af University of Science and Technology i Kina