物理學系晏湖根課題組揭示二維黑磷 「以少勝多」的紅外光吸收現象

近日，復旦大學物理學系晏湖根課題組首次在實驗上測定了少層黑磷的光吸收強度，發現激子吸收隨著層數的減少反而增大。4月15日，相關成果以《少層黑磷光電導的紅外光譜研究》（「The optical conductivity of few-layer black phosphorus by infrared spectroscopy」）為題在線發表於《自然·通訊》（Nature Communications）。物理學系博士後張國偉、博士生黃申洋分別為論文第一、第二作者，晏湖根教授和南方科技大學黃明遠教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃、復旦大學和應用表面物理國家重點實驗室等支持。

「由碳原子單層『一層一層』疊加起來的石墨是一種常見的材料，比如鉛筆芯就是由石墨做成的。如果我們把其中的『一層』單獨拿出來，就成為石墨烯，是實驗上發現的第一種二維材料。」晏湖根解釋道，現在，人們已經發現類似的「層狀」材料至少有幾千種，代表性成員有石墨烯、硫化鉬和黑磷等。二維材料雖然只有原子層級的厚度，但是表現出很強的光與物質相互作用。「比如，零帶隙特性使得石墨烯具有超寬波段（從紫外到遠紅外）的光吸收能力；在單層硫化鉬中，激子在共振波長可以吸收超過10%的入射光。」

在二維材料中，光的吸收是以二維光電導來描述的。人們發現，單層石墨烯的光電導在可見光和近紅外波段是同一個常數，即σ₀= e²/4ħ，僅由兩個物理學基本常數決定。換言之，懸空的單層石墨烯可以吸收~2.3%的入射光。N層石墨烯的光電導為Nσ₀，與層數成正比。在硫化鉬中，激子吸收也是隨著層數而增加。而在黑磷中，課題組發現了截然相反的現象：層數越少，激子吸收卻越強。

晏湖根課題組採用機械剝離法製備了高質量的少層黑磷樣品，在乾燥的氮氣環境中對其進行傅立葉變換紅外光譜（FTIR）表徵，定量地測定了2-7層黑磷的光吸收強度，並且詳細地研究了光吸收與層數的關係。課題組發現，在少層黑磷中，激子對光的吸收能力隨著層數的減少而增強（圖a）;而帶邊吸收卻幾乎是一個常數，與層數無關（圖b），這個常數不僅與石墨烯的通用光電導σ₀有關，而且還會受到能帶各向異性的影響。

結合k·p方法和二維激子模型，課題組給出了合理的理論解釋：簡言之，在二維材料中，帶邊吸收是由光學躍遷過程中參與的子能帶數量決定的。在N層石墨烯中，有N對子能帶參與，所以光電導為Nσ₀，即單層的N倍。而在黑磷中，不管多少層，只有1對子能帶參與，所以光電導都為~σ₀；對於激子來說，層數越少，介電屏蔽越弱、量子束縛效應越強，所以電子和空穴的「吸引力」就越大，導致吸收越強。

「剛發現這個現象時，我們感到非常吃驚。」晏湖根表示：「在現實生活中，一層窗簾可能還透點光，我們就用兩層、甚至三層，這樣光就不透了。對黑磷而言，層數越少，反而越不透光！這種『以少勝多』的現象其實都是空間受限的量子效應在起作用。」

該工作比較了幾種典型二維材料的光吸收，統一了對二維材料光吸收的認識，提出了對二維激子和價帶電子光吸收的分析方法。晏湖根課題組長期致力於少層黑磷的紅外光譜研究，這是繼能帶結構的演化（Nature Communications 2017, 8, 14071）、應力調控（Nature Communications 2019, 10, 2447）和激子效應（Science Advances 2018, 4, eaap9977）之後的又一項重要進展，為黑磷在紅外探測、發光和調製等光電子應用領域提供了重要的實驗依據。

圖：2-7層黑磷中（a）激子吸收與層數的關係；（b）帶邊吸收與層數的關係；（c）二維激子示意圖。