半导体晶体材料中的丰富物理现象由其准粒子（如电子、激子、声子等）的行为以及它们之间的相互作用决定。其中，激子是半导体晶体材料中的一种元激发，是由库仑相互作用形成的电子空穴束缚态。当半导体材料中的电子吸收了一个光子之后，会从价带激发到未被占据的导带上，在导带内产生一个电子并在价带中留下一个空穴，二者由于库仑作用束缚形成“激子”，其性质可以被外界电场、磁场、机械应力场等因素调控。激子表现出很多有趣性质，维度对于激子态至关重要：随着材料维度降低，量子限域效应会显著增强，使得低维材料中的电子和空穴的特性与三维体相材料存在显著差异。尤其是，当材料的几何尺寸减小到与电子或声子的德布罗意波长相当时，材料中的电子受到的介电屏蔽效应会显著减弱，使得电子和空穴之间的长程库仑相互作用变的重要，大大增加了激子结合能。因而，相较于体相材料，低维材料中的激子不仅更稳定，也更易形成，最终在激子复合过程中产生了强烈的发光现象。以典型二维材料体系的层状范德华半导体过渡金属硫族化合物为例，当其厚度减小到原子层级别时，激子效应显著增强。因此，关于二维范德华半导体材料激子的研究，吸引了人们的广泛关注。

当低维材料在原子尺度的晶体结构上出现面内强各向异性时，材料中的激子及其相关的光学性质也会表现出强的各向异性。例如，具有面内各向异性晶格结构的二维层状范德华材料（黑磷和二硒化铼等），由于受到光学跃迁过程中的选择定则和守恒律的限制，其对线偏振光具有很强的光学选择性，从而产生具有各向异性的激子。现有的低维材料其电子结构性质往往由其维度决定（二维硫化物的带边电子态是二维的，然而一维碳纳米管的电子态是一维的）。那么，是否存在一种新的材料，能够打破常规的晶格限域作用，使得激子态中的电子和空穴被限制在不同的维度空间，形成特殊的混合维度的激子态呢？比如，由一维受限的电子和二维受限的空穴所形成的激子，或着由二维受限的电子和一维受限的空穴所形成的激子，是否存在呢？

针对上述前沿科学问题，南京大学袁洪涛教授团队、北京航空航天大学汤沛哲教授团队和德国马普所Angel Rubio教授团队找寻到一种全新的具有二重旋转对称性的层状材料体系二磷化硅（SiP2），其导带中的电子会束缚于晶格中的准一维磷磷原子链（表示为PB–PB链）中，而价带中的空穴电子态则扩展于晶格二维平面之内，这样的电子和空穴，通过库仑相互作用形成了一种非常规的具有“混合维度”属性的各向异性激子态。通过测量偏振依赖的荧光光谱和反射光谱，作者们发现SiP2的荧光以及光学吸收特性均具有垂直于PB–PB链方向的线偏振性光学属性，其激子态表现出很强的各向异性。这种全新的混合维度激子也可以与材料中的其它准粒子（例如声子）相互耦合，进而通过多体相互作用来影响材料本身的光学和电子特性。SiP2中的混合维度激子作为典型的多体相互体系来探究半导体尤其是低维半导体中的激子和声子相互作用，对于拓展多体效应的研究范畴、探索新型光电器件具有重要意义。

图1. 二维范德华层状半导体材料SiP2中的混合维度激子态的示意图，电子能带结构与束缚激子态示意图。这种非常规的激子态（A激子）为布里渊区X点的直接带隙激子，由一维受限的电子（黄色小球）和二维受限的空穴（绿色小球）所组成。A'即为A激子与声子相互作用产生的声子边带。

图2. SiP2的晶体结构和能带结构。从晶格结构中能发现SiP2具有强面内各向异性，并存在独特的一维PB–PB链结构。能带结构和载流子分布表明SiP2中电子为准一维受限，空穴为准二维受限。(a) SiP2的结构示意图。(b) – (d) 分别为SiP2的扫描透射电子显微镜照片。(e) SiP2的第一布里渊区和体相SiP2能带结构。(f) 导带底与价带顶的载流子浓度实空间分布。

图3. 分别从偏振光谱探测、激子波函数分布以及计算的各向异性吸收谱来进行说明SiP2中混合维度激子及带边吸收的线偏振光学性质。(a) SiP2检偏角和能量依赖的荧光二维强度图，θ为检偏方向，为与垂直PB–PB链方向的夹角。(b) SiP2检偏角和能量依赖的微分反射谱二维强度图。(c) 计算的SiP2中混合维度激子波函数模平方的实空间分布，具有二重旋转对称性，旋转轴垂直于样品平面。(d) 计算模拟的SiP2对垂直于PB–PB链（红色）和平行于PB–PB链（深蓝色）方向偏振光的吸收谱。

相关成果以“Unconventional excitonic states with phonon sidebands in layered silicon diphosphide”为题发表在《自然·材料》期刊上（Nature Materials 21, 773–778 (2022)）。南京大学为论文第一通讯单位，周令、黄俊伟和Lukas Windgaetter为论文共同第一作者，南京大学袁洪涛教授、北航汤沛哲教授和德国马普所Angel Rubio教授为论文共同通讯作者。该研究工作也得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、南京大学固体微结构物理国家重点实验室、南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室的资助与支持。

来源：半导体学报