【仪表网 研发快讯】近日，北京理工大学集成电路与电子学院孙家涛教授团队在二维呼吸型笼目材料的光学性质领域理论研究取得重要进展，相关成果以：”Valley-Selective Optical Absorption and GiantExciton Binding Energy of Breathing Kagome Semiconductor with Nearly Flat Band” (呼吸笼目半导体的能谷极化与巨大激子结合能)为题发表于国际知名期刊《ACS NANO》(IF：15.8，中科院大类一区)。
二维笼目(Kagome)材料具有特殊的实空间共角的六方原子排布构型，其动量空间在费米能级附近同时存在拓扑平带与狄拉克锥，这些独特的电子结构导致其产生包括拓扑超导、分数量子霍尔效应、自旋三重态激子绝缘体等多种新奇量子物态。当笼目晶格中的对角三角形(子晶格)不再相等时，体系中的空间反演对称性被打破，进而形成呼吸型笼目晶格(Breathing Kagome Lattice)。这使原本无质量的狄拉克费米子获得有效质量，从而打开能隙形成半导体，这些独特的笼目半导体材料不仅蕴含着深刻的高阶拓扑物态(npj Quantum Materials 2023, 8: 16)，也使其在光电器件领域具有潜在应用。然而，目前对于这类材料中拓扑平带引发的光学性质仍缺乏深入且系统的研究。
本工作中，作者基于第一性原理计算与多体微扰理论，系统研究了笼目半导体Ta₃SBr₇的光学性质与激子性质。根据三维呼吸型笼目晶格Ta₃SBr₇的原子结构为基础，通过引入了一种几何自由度，作者研究了两种不同的二维呼吸型笼目原子结构。通过对电子布洛赫态的分析，发现这两种结构均在动量空间高对称点K/K′表现出对手性圆偏振光的选择性吸收，这与它们在K/K′点的相反的贝利曲率一致。由于费米能级附近存在平带，Ta₃SBr₇中载流子具有极大的有效质量，且主要局限于Ta原子，这显著削弱了体系中的介电屏蔽效应，并导致极大的激子束缚能。上述提及的原子几何自由度导致两种结构在能带结构及激子包络函数分布上具有明显差异，使得二者的基态激子在光学活性与辐射寿命方面存在显著不同。此外，载流子的巨大有效质量导致基态激子的辐射寿命远长于常见的二维TMDs材料，表明该材料体系中激子的高度稳定性。本研究不仅展示了笼目半导体作为激子物理研究平台的潜力，也揭示了其在谷电子学与各向异性光电子器件中的应用前景。
北京理工大学为第一通讯单位，北京理工大学集成电路与电子学院博士研究生郭竞达为本文第一作者，孙家涛教授为论文通讯作者。本工作得到了北京理工大学李元昌教授，中国科学院物理研究所孟胜研究员和杜世萱研究员的大力支持。该研究得到了科技部重点研发计划(2024YFA1207800，2020YFA0308800)、国家自然科学基金(12374172，11974045，61888102)等项目提供的资金支持。
Jingda Guo, Hongyan Ji, Meng Liu, Hui Zhou, Ting Lai, Shixuan Du, Sheng Meng, and Jia-Tao Sun*. Valley-Selective Optical Absorption and Giant Exciton Binding Energy of Breathing Kagome Semiconductor with Nearly Flat Band. ACS Nano, 2025. 19(16): 15322-15330.
图1：呼吸型笼目半导体单层Ta₃SBr₇的原子结构自由度
图2：呼吸型笼目半导体Ta₃SBr₇的光电性质
图3：呼吸型笼目半导体Ta₃SBr₇的激子性质
图4：呼吸型笼目半导体Ta₃SBr₇的激子波函数
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