摘要：香港理工大学应用物理学系刘树平教授课题组通过研究层状紫磷晶体的激子发射，发现紫磷的光致发光峰中有很强的三子发射，并通过实验确定了紫磷的三子结合能约109 meV。证明了层状紫磷是一种研究二维材料中光与物质相互作用的优异体系。

关键词：Advanced Optical Materials、 层状紫磷晶体、三子发射、香港理工大学

激子效应在二维材料的光学特性中起着重要作用。由于维度受限、介电屏蔽效应的减弱、以及较大的载流子有效质量的作用，二维材料受外界光子激发产生的自由电子-空穴对很容易因库伦相互作用而结合在一起形成激子准粒子。而激子可以通过一系列复杂的辐射复合过程释放出光子，通过研究二维材料的激子发射谱可以探索二维材料的许多奇特光学特性并开拓其在光子器件方面的新应用。除了一对自由电子-空穴所形成的中性激子以外，激子还可以结合多个电子或者空穴而形成带电激子，即三子。三子的形成为人们提供了通过控制二维材料载流子浓度来调控材料光学性能的一种手段。但是，通常情况下常见的二维材料（如石墨烯，过渡族金属硫化物等）的三子结合能都非常小(< 50 meV), 也就意味着很难在室温下非单层材料中观察到二维材料的三子发射。

香港理工大学应用物理学系刘树平教授(Prof. Daniel S. P. Lau)课题组系统地研究了范德华层状紫磷晶体的三子效应并发现薄层紫磷中的三子结合能在室温下即可以高达109 meV。通过特定条件的氩气等离子刻蚀减薄机械剥离制备的紫磷纳米片，作者发现此过程中不仅紫磷纳米片的厚度逐步减薄，而且还伴随着部分三子的解离并转化为中性激子。通过高分辨透射电镜、X射线光电子能谱等一系列测试手段原位分析可以得出结论，亚锡的锡-碘-磷(stannous Sn-I-P)杂质散布地嵌套于紫磷的晶格中提供额外电子以促进三子的形成。氩气等离子体在减薄紫磷纳米片的同时，也减少了杂质的存在，进而导致了部分三子的解离与转化。同时刻蚀过程所产生的表面磷氧化物(POx)缺陷抽取了额外电子，也进一步促进了三子转化为中性激子的过程。本研究结果证实了紫磷中存在强三子发射，是一种研究光与物质相互作用的优良体系，对二维材料的非线性光学的发展有着重要意义。相关论文以“Impurity-Induced Robust Trionic Effect in Layered Violet Phosphorus”为题，在线发表在Advanced Optical Materials (DOI:10.1002/adom.202101538)。香港理工大学应用物理学系Prof. Daniel S. P. Lau教授为论文通讯作者，课题组博士后研究员李炎勇博士为论文第一作者。

本研究得到了香港理工大学研究基金(1-ZVGH和1-BD96)以及香港研究资助局(PolyU 153039/17P 和 5303219)的资助支持。并感谢南京大学固体微结构物理国家重点实验室的支持(M34001)。