Fund Project:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11374247) and the Shenzhen Municipal Basic Research Funds, China (Grant No. JCYJ20170818141709893).
Received Date:15 July 2019
Accepted Date:14 August 2019
Available Online:19 August 2019
Published Online:20 August 2019
Abstract:Huang and Rhys published a quantum theoretical treatment to the light absorption in F-centre in solids, which has been widely recognized as the first detailed quantum-mechanical calculation. In the Huang-Rhys’s seminal theoretical treatment, they derived a dimensionless factor to characterize electron-phonon coupling strength which was named later as Huang-Rhys factor. Since then, Huang-Rhys factor has been generally accepted. In this short review, the physical nature of Huang-Rhys factor and several application examples in solids are introduced and presented in memory of the hundredth anniversary of Prof. Kun Huang. Due to limited publication space and my personal understanding on Huang-Rhys factor, only several cases including GaN, 2D WS2 monolayer semiconductor, inorganic CsPbBr3 perovskite nanosheets and NV centers in diamond, in which the extremely-weak and medium strong coupling between electron (exciton) and phonon occur, are discussed in this short review. Keywords:phonon-electron interactions/ Huang-Rhys factor/ optical properties of solids/ luminescence
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1.黄-里斯因子及物理内涵黄昆先生与A. Rhys(这里译成里斯)于1950年在英国皇家学会院刊A第204卷上发表了题目为“Theory of Light Absorption and Non-radiative Transitions in F-Centres”的论文[1]. 论文甫一发表即受到****的重视[2,3], 并被O’Rourke在其论文中开篇首语评价为首个关于F-中心光吸收的仔细量子力学计算[3]. 所谓F-中心源自德文Farbe center, 德语Farbe即英文color之意. 它是一种晶体点缺陷, 如晶体中的阳离子空位, 那里被一个或多个未配对的电子所占据. F-中心之所以被称为color center, 中文即“色心”, 是因为德国****最先发现原本透明的晶体在有缺陷的情况下会呈现出一定颜色. 黄先生在与Rhys合写的这篇论文中不但导出了S因子表达式, 而且首先明确S因子是其理论处理中的最重要参数[1]. 鉴于S因子的关键作用, 这里不妨重复一下黄先生导出的表达式:
3.二维WS2单原子层半导体的激子-声子互作用受石墨烯单原子层材料优异性质研究的启发, 近年来其他二维单原子层材料也得到了重视和重要发展. 其中WS2单原子层二维半导体就是一个重要例子[31,32]. 与其体单晶以及两层或两层以上的多层结构的电子结构不同, 单原子层WS2是一种直接带隙半导体, 即使在室温下都展现出杰出的发光特性[33]. 我们曾研究了用“top-down”和“bottom-up”两种方法所制备的WS2单原子层的光学特性[34], 并观察到光致掺杂效应[35]. 在这里我们集中讨论二维WS2单原子层半导体的带边激子与声子的互作用, 特别是探讨这种互作用在带边激子发光峰位随温度变化中的作用. 我们将采用O’Donnell 与Chen[36]所建议的三参数理论公式, 通过拟合实验数据, 以确定自由激子与缺陷束缚激子在它们的发光峰位随温度变化所展现出的有效黄-里斯因子[36]. 这里我们实验所采用的样品是用手工剥离方法从体单晶所得到的WS2单原子层薄片, 其光学照片及室温拉曼光谱可参考已发表文献[37]. 样品的变温PL谱是在Renishaw inVia共焦显微拉曼光谱仪上完成的, 激发光是一个氩离子气态激光器的514.5 nm激光线, 激发光以及荧光信号都是通过一个50倍的显微镜头进行的. 为尽量减少激光可能对单原子层样品所造成的严重影响[34,35], 我们在进行变温PL谱测量时使用的激光功率仅为30 μW. 由于共焦显微镜的高效收光效率, 即使在这样微弱功率激光激发下, WS2单原子层的发光在室温下仍能被系统采集和探测到足够好的荧光信号, 如图3所示. 样品的变温实验是在能与显微镜集成的Linkam液氮冷却变温系统上实现的. 图 3 WS2单原子层二维半导体的变温PL谱 双发光峰及其峰位随温度向低能方向移动(红移)趋势清晰可辨, 而如此的带边发光峰峰位随温度红移的规律有可能是激子-声子耦合造成的 Figure3. Variable-temperature PL spectra of the WS2 monolayer semiconductor. Double PL peaks can be well resolved. The red-shift temperature dependence of their peak positions is clearly seen. Note that the red-shift dependence of peak positions of the two emission peaks may be due to the exciton-phonon coupling.
图3所示为测得的WS2单原子层二维半导体的变温PL谱, 变温范围是从80 K到300 K. 双发光峰结构在270 K以下温度清晰可辨. 依据两个发光峰的能位、谱型、低温激发强度依赖以及温度依赖行为等, 我们将能位高一些的发光峰判定为自由激子发光, 而能位较低的发光峰则是缺陷束缚激子发光[35,37]. 在图3中, 由虚画线标出两个发光峰峰位随温度的变化趋势. 很显然, 随着晶格温度上升, 它们都呈现出单调红移(向低能方向移动)行为. 为了更清晰地反映两个发光峰随温度的红移行为, 图4给出了从图3中所读出的发光峰位(方块与圆点)随温度的变化趋势. 如前文所述, 我们采用O’Donnell 与Chen所建议的三参数经验公式, 对实验数据进行了拟合, 所获得的拟合曲线如图4中实线所示. 考虑电子-声子耦合是造成半导体能带随温度红移的主要机制, O’Donnell 与Chen建议了一个三参数理论公式: 图 4 WS2单原子层二维半导体的两个发光峰位(方块和圆点)随温度的变化趋势, 实线是用O’Donnell与Chen[36]所建议的电子-声子耦合所引起的带隙红移三参数理论公式所得到的拟合曲线 Figure4. PL Peak positions (filled squares and circles) of the WS2 monolayer semiconductor vs. temperature. Solid lines are the fitting curves with the bandgap red-shift formula due to electron-phonon coupling suggested by O’Donnell and Chen[36].
其中S即为黄-里斯因子, $\gamma $是电子与LO声子的耦合振子与准连续声学声子的耦合系数, $\beta \equiv {{\rm{1}} / {{k_{\rm{B}}}T}}$. 从上述表达式可以看出, 即使是在考虑有准连续声学声子摩擦之后的MBO理论模型里, 黄-里斯因子仍然是一个最重要的参数. 应用(9)—(11)式, 我们计算了CsPbBr3的带边激子发光谱, 其中LO声子的能量固定为18 meV, 仅改变$\hbar \omega _{{\rm{eg}}}^{\rm{0}}$, S以及$\gamma $等3个参数. 所获得理论拟合光谱以实线形式在图5中给出. 应该说, 对于如此复杂的固体系统而言, 理论和实验谱线的符合程度是相当好的. 最有趣的一个结果是, 表征CsPbBr3纳米晶片的激子与LO声子之间耦合强度的黄-里斯因子在5—40 K的低温范围内, 随着温度的上升而减小. 图6给出了用MBO量子理论模型所拟合出的S因子(实三角)与温度的关系, 其中实线是一个用最小二乘法所拟合得到的直线, 这表明CsPbBr3纳米晶片的激子的黄-里斯因子在感兴趣的低温范围内, 是随温度上升而线性减小的.这里需要提到的是, 我们所获得的S因子值与Iaru等[41]用荧光一阶声子伴线与零声子线高度比值所得到的S因子值相符. 至于在低温范围内, CsPbBr3钙钛矿纳米晶片的黄-里斯因子, 也就是说激子与LO声子的耦合强度随温度上升而减小的物理机制, 我们是用该种金属卤化物钙钛矿材料的静态介电常数随温度的上升而增大来解释的[44]. 这是因为根据(5)式, 极性材料中激子的S因子与材料的静态介电常数密切关联. 图 6 用MBO理论模型所拟合出的CsPbBr3纳米晶片在5—40 K低温范围内的黄-里斯因子(实三角), 实线则为线性拟合线 注意, 在5—40 K温度范围内, 黄-里斯因子随温度上升而减小, 表明激子-声子耦合强度是随温度上升而下降的 Figure6. Huang-Rhys factors (solid triangles) of the CsPbBr3 nanosheets in the low temperature of 5-40 K with MBO model. Solid line is a linear fitting curve. Note that the Huang-Rhys factor of excitons in the CsPbBr3 nanosheets interestingly decreases with increasing the temperature.
5.金刚石中NV中心的黄-里斯因子与准局域化振动模黄昆先生在其论文中指出, 晶体中的杂质和缺陷有时可以引起只限于邻居少数原子的局域振动模, 形成区别于完整晶格振动谱的振动频率. 而这类局域振动模可以和杂质中心的电子态有较强的耦合[8]. 金刚石晶体中的NV中心, 也就是一个替位C原子的N原子和一个最邻近C原子空位(vacancy)所组成的复合缺陷中心[49], 或许可理解为黄先生所讨论的这样一种晶体缺陷中心. 本节简要讨论金刚石NV复合缺陷中心电子态与准局域化振动模的耦合以及黄-里斯因子, 详细结果可参阅文献[50]. 我们所研究的高质量金刚石样片是由西安电子科技大学课题组利用微波等离子体气相沉积技术所同质外延生长的, 其具体的生长环节和细节可参阅该课题组的论文[51]. 金刚石样片的变温PL谱也是在Renishaw inVia共焦显微拉曼光谱仪上完成的, 激发光也是氩离子气态激光器的514.5 nm激光线. 图7所示为测得的金刚石样片的77 K低温PL谱. 可以清楚地看到两条非常窄的NV缺陷中心的发光谱线, 它们已被鉴定为NV复合缺陷中心的零电荷以及带一个负电荷两种电荷态的所谓零声子谱线[48]. 能位高一些的谱线是零净电荷态的, 被标为NV0, 而能位低于2.0 eV的窄谱线则是带一个负电荷态的, 被标为NV–. 除了这两条窄发光谱线外, 展宽的周期结构分别出现在两条窄谱线的低能侧, 如图7中向下的短箭头所示. 而且, 两个周期结构的能量周期并不相同. NV0的约45 meV, 而NV–的约63 meV. 这两个周期结构的谱结构就是不同荷电状态的NV缺陷中心与周围准局域化的振动模相耦合的结果[50]. 为了能对展宽的光谱进行理论拟合以得到较为深刻的理解, 须引入声子模的态密度$\rho ({\omega _{\rm{s}}})$来计算准局域化振动模对光谱的贡献[8]. 而且, 在有限温度情形下, 黄-里斯因子将是晶格温度以及声子态密度的函数[8]. 图 7 同质外延生长的金刚石晶片的低温PL谱 NV缺陷中心两种荷电状态的零声子发光谱线以及它们的准局域振动模的周期谱结构清晰可见, 图中若干朝下的箭头标出了这种由于电子与准局域振动模耦合造成的周期性结构; 注意, NV缺陷中心的两种电荷状态所展现出的周期性发光结构具有不同的能量周期, 表明它们各自感受到不同的局域振动模 Figure7. 77 K PL spectrum of the diamond flake grown on diamond substrate. It is clearly seen that two sharp lines of NV0 and NV- as well as their respective phonon sidebands for the two quasi-localized vibrational resonances. Downward arrows indicate such phonon sidebands.
如图8中左侧图所示, 计算出的金刚石NV缺陷中心的PL谱与实验谱相符合.同时, 我们首次获得了声子态密度分布, 如图8中右侧图所示. 我们所获得的NV0与NV-的黄-里斯因子分别为1.9与2.6. 显然, 金刚石NV缺陷中心在带一个净负电的情形下与周围准局域化振动模的耦合要强一些. 总之, 上述结果再次印证了黄-里斯因子在决定固体一些光学性质上的关键作用. 图 8 左侧为金刚石晶片的低温PL谱(灰线)以及理论拟合谱线(红线), 金刚石声子的截止能量为168 meV, 与图中的拉曼峰能量(165 meV)很接近; 右侧为对实验谱线进行理论拟合所获得与NV缺陷中心两种荷电态相耦合的准局域振动模的声子态密度 Figure8. Left panel: measured 77 K PL spectrum (gray line) of the diamond flake and theoretical spectrum (red line). The cut off energy of phonons of diamond is also given. Right panel: densities of phone states obtained via theoretical fitting to the experimental PL spectrum.