近日，北京大學物理學院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所、寬禁帶半導體研究中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理全國重點實驗室、納光電子前沿科學中心唐寧、沈波團隊和北京理工大學物理學院段俊熙團隊合作在原子級薄六方氮化硼的能帶結(jié)構(gòu)研究上取得重要進展。通過深紫外共振激發(fā)證明了原子級薄六方氮化硼（h-BN）是一種間接帶隙半導體，從根本上糾正了長期以來科學界對于單層氮化硼是直接帶隙半導體的普遍誤解。相關(guān)研究成果以“深紫外共振激發(fā)揭示原子級薄六方氮化硼的間接帶隙特性”（Indirect band nature of atomically thin hexagonal boron nitride identified by resonant excitation in the deep ultraviolet regime）為題于2025年7月23日發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，并被選為編輯推薦文章。 

六方氮化硼是一種超寬禁帶氮化物半導體材料，因其獨特的光電特性備受矚目。特別是單層氮化硼，被認為是制造高效深紫外發(fā)光器件、自旋電子器件和量子信息器件的理想材料之一。然而，對于其最基本的能帶結(jié)構(gòu)，即它究竟是直接帶隙還是間接帶隙，科學界一直存在誤解。盡管實驗報道其作為直接帶隙半導體的結(jié)論已被廣泛認可，但理論計算表明其能帶結(jié)構(gòu)為間接帶隙的可能性更大。上述矛盾嚴重阻礙了其基礎研究和應用開發(fā)。

為了澄清原子級薄六方氮化硼的帶隙本質(zhì)，研究團隊結(jié)合了深紫外波段的光致發(fā)光、共振拉曼光譜和差分反射譜等多種測量手段，對1~12層不同厚度的氮化硼樣品進行了系統(tǒng)性研究。結(jié)果表明：1~3層的氮化硼樣品中，完全觀測不到帶邊的發(fā)光信號，取而代之的是強烈的共振拉曼散射信號，這是典型的間接帶隙半導體的特征。當樣品厚度增加到4層時，聲子輔助的間接帶隙躍遷得以被激活，首次觀測到了微弱的聲子輔助帶邊發(fā)光信號和聲子輔助間接帶隙吸收信號，隨著層數(shù)繼續(xù)增加，發(fā)光強度顯著增強，而共振拉曼信號則相應減弱。研究證實無論單層還是多層六方氮化硼都是間接帶隙半導體。

圖1. 單層BN在紫外近共振激發(fā)下的光譜。譜峰隨激發(fā)能量而全局移動，證明信號為共振拉曼而非光致發(fā)光。

圖2. 1~12層h-BN在深紫外共振激發(fā)下的光譜演變。1~3層僅有共振拉曼信號；光致發(fā)光信號從4層開始出現(xiàn)，并隨層數(shù)增加而增強。

北京大學物理學院博士后付雷、北京理工大學物理學院博士研究生胡虞卿為論文共同第一作者，北京大學唐寧教授、沈波教授和北京理工大學段俊熙副教授為共同通訊作者。該工作得到了北京大學葛惟昆教授、戴倫教授、路建明助理教授、楊懷遠博士，北京理工大學姚裕貴教授等合作者的指導和幫助。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家重大科研儀器研制項目、國家杰出青年科學基金項目、重點項目、創(chuàng)新研究群體等項目的支持。 

論文原文鏈接

https://doi.org/10.1103/rt4w-v9r8

（來源：北大物理，供稿：物理學院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所）