以下华算科技将从激子的基本概念、激子光谱的实验方法、材料中的激子行为、以及激子光谱在不同材料中的应用等方面进行详细阐述。
激子的基本概念与理论基础
激子是由电子和空穴通过库仑相互作用结合形成的束缚态，其结合能称为激子结合能。在半导体中，当光子激发电子进入导带时，会在价带留下一个空穴，由于电子带负电荷，它会吸引空穴形成激子。
激子的能级结构可以通过薛定谔方程描述，其中相对运动和中心质量运动被分离，从而推导出激子的能级公式。激子的能级通常表现为类氢光谱系，即能级之间的跃迁形成一系列离散的谱线。
在低维半导体系统中，如二维材料（如过渡金属硫族化合物TMDs），激子的光谱特性尤为显著。例如，在单层WS2中，激子结合能高达0.32eV，并且表现出明显的非氢原子Rydberg系列特征，这与有效介电屏蔽的非局域性有关。此外，激子的能级结构还受到材料的维度、晶格常数、掺杂浓度等因素的影响。
激子光谱的实验方法
激子光谱的测量通常采用光致发光（PL）光谱、反射光谱、吸收光谱等方法。其中，低温PL光谱是最常用的手段，因为它可以提供高分辨率的激子能级信息。
例如，在ZnSe薄膜中，通过低温PL测量可以观察到轻重空穴激子的分裂、移动和反转现象，这些现象与薄膜的应变状态密切相关。此外，时间分辨PL光谱（TRPL）可以用于研究激子的寿命和复合动力学。
在二维材料中，激子的光谱特性可以通过电场调控进一步研究。例如，在单层WS₂中，通过外加电压可以连续调节激子结合能，从而实现对激子光谱的动态控制。此外，激子的极化激元效应也可以通过反射光谱进行探测，例如在ZnSe薄膜中观察到的激子极化激元效应。
激子光谱在不同材料中的表现
二维过渡金属硫族化合物（TMDs）
二维TMDs（如MoS2、WS2等）是研究激子光谱的典型材料。由于其原子层厚度，激子的结合能较高，且能级结构表现出明显的非氢原子Rydberg系列特征。
例如，在单层WS2中，激子结合能为0.32eV，并且激子的能级结构与氢原子的能级结构存在显著差异。此外，通过电场调控可以实现对激子结合能的连续调节，从而实现对激子光谱的动态控制。
ZnSe薄膜
ZnSe薄膜的激子光谱受到薄膜厚度和应变状态的显著影响。在ZnSe/GaAs异质结构中，当薄膜厚度小于0.2μm时，ZnSe完全应变生长；当厚度大于0.2μm后，应变开始弛豫，并在外延层中产生失配位错。随着薄膜厚度的增加，应变逐步减小，导致激子的能级结构发生变化。
例如，在厚度为0.045μm的ZnSe薄膜中，激子的带边发光峰表现出明显的应变效应，而在厚度大于1μm时，激子的能级结构趋于稳定。
藻红蛋白微晶
在生物体系中，藻红蛋白的激子光谱也被广泛研究。藻红蛋白作为光合作用天线的重要组成部分，其激子光谱表现出特定的吸收和发射特性。
例如，在藻红蛋白微晶中，激子的吸收峰位于特定波长范围内，并且其发光峰与材料的晶格结构密切相关。此外，通过调控藻红蛋白的微晶结构，可以实现对激子光谱的调控，从而优化其在光合作用中的能量传递效率。
钙钛矿材料
在钙钛矿材料中，激子的光谱特性也受到广泛关注。例如，在Cs₂ZrCl₆:Sb3+中，自陷态激子的发光峰分别位于450nm、490nm和600nm左右，表明掺杂剂引起的激子发射具有多重峰结构。
此外，通过调控掺杂浓度和晶体结构，可以实现对激子光谱的精确控制，从而优化其在成像和照明领域的应用。
激子光谱的应用
光电器件
激子光谱的研究为开发新型光电器件提供了理论基础和技术支持。例如，在二维TMDs中，激子的高结合能和强光吸收特性使其在太阳能电池、光探测器和发光二极管等领域具有广泛应用前景。
此外，通过调控激子的能级结构，可以实现对光电器件性能的优化，例如提高光吸收效率和降低能耗。
纳米材料
在纳米材料中，激子的光谱特性受到尺寸效应和表面态的影响。例如，在CdS纳米粒子中，激子的吸收峰和发射峰随粒径的减小而发生红移，表明激子的能级结构受到尺寸的显著影响。
此外，通过调控纳米材料的形貌和表面态，可以实现对激子光谱的精确控制，从而优化其在光催化、光存储等领域的应用。
生物医学
在生物医学领域，激子光谱的研究为开发新型生物成像和诊断技术提供了理论支持。例如，藻红蛋白的激子光谱特性使其在光合作用研究和生物成像中具有重要应用价值。此外，通过调控激子的能级结构，可以实现对生物分子的高灵敏度检测，从而提高诊断的准确性和效率。
激子光谱是研究半导体材料中电子-空穴相互作用的重要工具，其能级结构和光谱特性不仅反映了材料的电子结构，还与材料的晶格环境、外部场等因素密切相关。
通过实验手段（如低温PL、时间分辨PL、显微拉曼光谱等）和理论计算（如有效质量近似法、密度泛函理论等），可以深入研究激子的光谱特性，并将其应用于光电器件、纳米材料和生物医学等领域。
未来，随着材料科学和光谱学技术的不断发展，激子光谱的研究将为开发新型功能材料和器件提供更加丰富的理论基础和技术支持。