激子光谱再突破：C₃N与C₃B单/双层体系刷新二维材料强吸收纪录

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我们在 *Phys. Rev. Applied* 发表两项理论工作，**以 GW+BSE 多体微扰框架系统阐明**石墨烯衍生合金 C₃N 与 C₃B 的激子物理：1️⃣ 单原子层即可产生 **>90% 的巨峰窄带吸收**；2️⃣ 将电子富集 C₃N 与电子匮乏 C₃B 堆叠成范德华异质结，**室温下 0.04–0.18 eV（≈ 30–40 μm，远红外）区域出现亮度空前的“层间激子”**。系列结果不仅**首次揭示二维材料“类壳层”激子能级分布**，也为 **中-远红外探测器、窄带成像与可重构光电子芯片** 提供了可扩展的材料平台。

单层：平行能带造就“单峰吞噬”式吸收

  • 借助 60×60×1 超密 k 点 与 双网格插值技术，我们解出 Bethe–Salpeter 方程，发现 C₃N 与 C₃B 的价-导带在 大段布里渊区内近乎平行 → 产生高联合态密度。
  • 结果：
    • C₃N 在 1.9 eV（650 nm）出现 单对二重简并激子，吸收贡献 **>90%**；
    • C₃B 在 2.1 eV（590 nm）亦出现 >80% 的同类巨峰；
    • 其余数百个激子态几乎“全暗”，使吸收谱呈现 史无前例的“一峰独秀” 形状。
  • 激子束缚能呈 壳层式分布（Series I/II/III），每壳层收敛到不同边缘，束缚能高达 1 eV 以上——为二维材料之最。

双层：type-II 能带排列催生远红外“层间激子灯”

  • 将 C₃N（电子富集）与 C₃B（电子不足）按能量最优 AA₂ 堆垛（层距 3.16 Å）组合，形成天然 type-II 异质结——电子-空穴空间分离，理论带阶 0.33 eV。
  • 计算表明：
    • 层间激子能量 0.04–0.18 eV（对应 7–30 μm，覆盖长波红外至太赫兹）；
    • 振子强度 比层内激子还高 → 理论吸收系数 ≈ 10⁵ cm⁻¹ 量级；
    • 束缚能 0.2–0.4 eV，远胜传统窄隙半导体（meV 级），保证 室温稳定；
    • 激子态同样呈现 壳层分布，且可连续调谐至 40 meV 以下，为 “THz 激子激光” 提供可能。

计算策略：1000× 加速让超密 BSE 成为常态

两项研究均依托 “能量积分 + mini-BZ 解析积分” 双重加速算法，把二维 GW 与 BSE 的 k 点需求从 120×120 降至 6×6，整体提速 ~1000 倍而保持 0.02 eV 精度。该框架已集成至开源 BerkeleyGW，为高通量筛选 红外-THz 2D 异质结 奠定工具链。

应用展望：从窄带光谱仪到可重构光芯片

  1. 窄带吸收/发射层：单原子层即可实现 FWHM < 50 meV 的可见-近红外发光，适用于 高色纯度 LED、激光增益介质。
  2. 远红外探测：C₃N/C₃B 双层 层间激子覆盖 3–30 μm，可填充 传统 III-V/锗材料难以企及的 THz 间隙。
  3. 应力-电场双调谐：
    • 面内应变 → 独立移动 价带顶（px+py 轨道）；
    • 层距/垂直电场 → 独立移动 导带底（pz 轨道）；
      → 实现 “电子-空穴通道分离调控”，为 可重构 p-n 结、应力像素阵列 提供新思路。

实验挑战与路线图

  • 材料制备：C₃N 已通过 有机晶体碳化法 实现晶圆级合成；C₃B 已由 硼烷-碳源 CVD 获得晶畴，大尺寸单晶仍在攻关。
  • 堆垛控制：团队预测 AA₂ 序 能量最低，建议采用 “翻转-转移 + 后退火” 或 区域熔融再结晶 获得高有序异质结。
  • 表征目标：
    • 低温扫描隧道谱 验证 0.17–0.33 eV 带阶；
    • 超快太赫兹光谱 捕捉 40 meV 层间激子动力学；
    • 门控霍尔 确认 室温激子绝缘体相 是否出现。

结语

从 单层的“单峰吞噬”可见吸收 到 双层的“远红外激子灯”，C₃N 与 C₃B 体系展示了 能带工程与多体效应协同 带来的 光谱革命。随着 晶圆级合成与范德华集成技术 的成熟，这些石墨烯“表亲”有望走出论文，在红外成像、THz 通信与柔性光谱芯片中大放异彩。

Zhao Tang, Greis J. Cruz, Fanhao Jia, Yabei Wu, Weiyi Xia, Peihong Zhang*
Stacking up electron-rich and electron-deficient monolayers to achieve extraordinary mid- to far-infrared excitonic absorption: Interlayer excitons in the C3B/C3N bilayer. [pdf version]
Physical Review Applied 19, 044085 (2023)

Zhao Tang, Greis J. Cruz, Yabei Wu, Weiyi Xia, Fanhao Jia, Wenqing Zhang, and Peihong Zhang*
Giant Narrow-band Optical Absorption and Distinctive Excitonic Structures of Monolayer C3N and C3B. [pdf version]
Physical Review Applied 17, 034068(2022)