1 工作简介

         ——利用深紫外共振激发揭示原子级薄超宽禁带氮化硼的间接带隙本质

六方氮化硼是一种超宽禁带氮化物半导体材料，因其独特的光电特性备受瞩目。特别是单层氮化硼，被认为是制造高效深紫外光电器件和量子信息器件的理想材料之一。然而，对于其最基本的能带结构，即它究竟是直接带隙还是间接带隙，科学界一直存在误解。尽管实验报道其作为直接带隙半导体的结论已被广泛认可，但理论计算表明其能带结构为间接带隙的可能性更大。上述问题严重阻碍了其基础研究和应用开发。

为了澄清原子级薄六方氮化硼的带隙本质，北京大学唐宁、沈波团队和北京理工大学段俊熙团队合作，通过深紫外波段的光致发光、共振拉曼光谱和差分反射谱等多种测量手段，对1-12层不同厚度的氮化硼样品进行了系统性研究。结果表明：1-3层的氮化硼样品中，完全观测不到带边的发光信号，取而代之的是强烈的共振拉曼散射信号，这是典型的间接带隙半导体的特征。当样品厚度增加到4层时，声子辅助的间接带隙跃迁得以被激活，首次观测到了微弱的声子辅助带边发光信号和声子辅助间接带隙吸收信号。随着层数继续增加，发光强度显著增强，而共振拉曼信号则相应减弱。

图2. 1-12层h-BN在深紫外共振激发下的光谱演变。1-3层仅有共振拉曼信号；光致发光信号从4层开始出现，并随层数增加而增强。

本研究证实无论单层还是多层六方氮化硼都是间接带隙半导体，从根本上纠正了长期以来科学界对于单层氮化硼是直接带隙半导体的普遍误解。同时揭示了层数依赖性的转变：从1-3层h-BN中的无发光行为，到≥4层体系中出现的声子辅助间接带隙跃迁特性。超薄层中不存在带边发光和M-K吸收，这与4层时这两种现象的突然出现形成对比，揭示了z轴周期性如何通过层间耦合激活K/M谷处的声子辅助间接带隙跃迁。此外，近共振拉曼光谱测量直接揭示了强烈的电子-声子耦合（EPC）。这些发现为理解六方氮化硼（h-BN）的光电特性提供了重要基础：(i) 证实了h-BN无论层数多少都表现出间接带隙；(ii) 确定4层是激活声子辅助间接带隙跃迁的临界厚度；(iii) 为该体系中的电子-声子耦合（EPC）提供了明确的实验基准；(iv) 表明能带工程——例如通过介电环境调制或应变调制从而实现单层BN在K点的直接带隙——将开辟令人兴奋的新研究领域。

相关研究成果以”Indirect band nature of atomically thin hexagonal boron nitride identified by resonant excitation in the deep ultraviolet regime”为题发表于《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 135, 046903 (2025)），并被选为编辑推荐文章。北京大学博士后付雷和北京理工大学博士生胡虞卿为共同第一作者，北京大学唐宁教授、沈波教授和北京理工大学段俊熙副教授为共同通讯作者。该项工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

2 主要作者简介

通讯作者

唐宁，北京大学博雅特聘教授，基金委杰青、优青。

1979年生，在南京大学获学士学位，在北京大学获博士学位。主要从事宽禁带半导体物理和器件研究，迄今在PRL、Science Advances、APL、PRB等期刊发表文章100多篇。担任国家重点研发计划重点专项项目负责人。

通讯作者

段俊熙，北京理工大学长聘副教授。

1985年生，在北京大学获学士和博士学位，美国Rutgers（新泽西州立）大学博士后。科研兴趣为通过电学、光电和热电等方法研究新型量子材料及其异质结构中的拓扑、自旋相关性质和调控。迄今以第一/通讯作者在PRL、Nat. Commu.、PNAS、Nano Lett.等期刊发表文章20余篇。

通讯作者

沈波，北京大学博雅特聘教授、理学部副主任、宽禁带半导体研究中心主任，长江学者、杰青、基金委创新群体带头人。

1963年生，在南京大学、中国科技大学和日本东北大学分别获学士、硕士和博士学位，东京大学博士后。曾担任国家973计划项目首席科学家、国家863计划“第三代半导体”重点专项总体专家组组长。现担任科技部“新型显示和战略性电子材料”国家重点研发计划实施方案起草专家组和总体专家组副组长兼第三代半导体方向组长。1995年以来专注于GaN基宽禁带半导体材料、物理和器件研究，发表论文400多篇，获得/申请发明专利80多件，在国内外学术会议做大会报告和邀请报告40多次，先后与华为、京东方、彩虹集团等开展了技术合作,部分成果实现了产业化应用。先后获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖和多项省部级奖励。

3 原文传递

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/rt4w-v9r8