铁电调控Sc2CO2/WSe2异质结构中激子行为的机制研究及其光电应用前景

本文创新性地采用GW+BSE方法揭示了铁电材料Sc2CO2面外极化方向对WSe2异质结构能带排列（Type-I/II转换）和激子特性（亮-暗态调控）的动态调控机制，首次提出类似二进制"0/1"的光开关模型，为开发低功耗非易失性激子器件提供了新思路。

　　

引言

二维材料因其独特的电子特性成为新兴技术发展的重要平台。通过堆叠不同性质的二维材料构建的范德华（vdW）异质结构，能够产生独特的激子效应。近年来，具有自发极化的铁电材料因其可切换的极化特性，为异质结构工程提供了新策略。单层氧功能化碳化钪（Sc₂CO₂）作为稳定的二维铁电材料，其面外极化值约为1.60 μC cm^?2，在光电应用中展现出巨大潜力。

理论与方法

研究采用Quantum-ESPRESSO软件包进行几何弛豫和基态性质计算，使用包含自旋轨道耦合（SOC）效应的优化范数守恒赝势（ONCVs）。vdW校正采用DFT-D3方案，通过Yambo代码进行GW+BSE计算，考虑四支价带（VBs）和导带（CBs）以计算低能激发。激子辐射复合通过费米黄金规则描述，辐射寿命计算包含温度依赖性。

结果与讨论

结构设计：通过反转Sc₂CO₂层构建了两种堆叠构型——Sc₂CO₂↓/WSe₂（极化向下）和Sc₂CO₂↑/WSe₂（极化向上），界面Se-O垂直距离分别为2.832 ?和2.997 ?。

电荷与能带调控：

• •

  极化方向改变导致界面电荷分布反转，形成方向相反的內建电场（图2）。Sc₂CO₂↓/WSe₂中WSe₂层静电势比Sc₂CO₂层高1.60 eV，而极化反转后降低1.82 eV（图3）。

• •

  G₀W₀计算显示：Sc₂CO₂↓/WSe₂为直接带隙（2.10 eV，Type-I排列），极化反转为Type-II排列（1.49 eV），WSe₂层能级整体下移0.62 eV（表1）。

激子特性：

• •

  Sc₂CO₂↓/WSe₂中最低能激子X₀（1.57 eV）为暗激子（三重态占比98.1%），辐射寿命达7.80×10^?3 s（77 K）；首支亮激子X_B（1.60 eV）因SOC效应呈现单重态-三重态混合（49.1% vs 49.0%），寿命缩短至4.99×10^?10 s（表2-3）。

• •

  Sc₂CO₂↑/WSe₂仅存在暗激子IX₀（1.0 eV），为层间激子（电子-空穴波函数分离），三重态占比89.6%，寿命延长至7.07×10^?5 s（图6）。

结论

该研究阐明铁电极化方向可动态调控异质结构能带排列（Type-I/II转换）和激子属性（亮-暗态切换），实现类似二进制"0/1"的光开关机制。极化方向对激子光学吸收特性和辐射寿命的显著调控作用，为设计低功耗非易失性激子器件提供了理论依据。