南开新闻网讯（通讯员 程丹）近日，南开大学物理科学学院2022级强基班本科生阎韵澎在刘智波教授的指导下，在光与二维范德华铁电材料相互作用的研究中取得重要进展。研究首次在CIPS中观测到自陷态激子发射，并揭示了其对材料光学电导率的非线性调制机制。相关成果以“Self‐Trapped Excitons and Nonlinear Dielectric Modulation in Van Der Waals Ferroelectric CuInP₂S₆”（范德华铁电材料CuInP₂S₆中的自陷态激子和非线性介电调控）为题，在线发表于国际权威期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。
二维范德华铁电材料因其在原子级厚度下仍能保持稳定的铁电性，且展现出丰富的量子现象，近年来成为凝聚态物理和材料科学等领域的研究热点。其中，CuInP₂S₆（CIPS）是最具代表性的材料之一，其具有室温面外铁电性，在非易失存储、铁电晶体管和神经形态计算等领域展现出广阔应用前景。尽管CIPS的铁电性和非线性光学效应已被广泛研究，但其光致发光现象及激发态介电响应仍有待深入探索。
自陷态激子源于激子与晶格之间的强耦合，激子被局域在晶格畸变区域，通常表现为宽带发光、大斯托克斯位移和长寿命等特性，在白光LED、宽带光探测等领域具有重要应用价值。研究发现，铜空位诱导的面内晶格畸变是自陷态激子形成的关键，其发射波长覆盖500–700 nm的可见光范围，斯托克斯位移达0.7–0.8 eV，寿命为纳秒量级。变温光致发光光谱分析进一步量化了材料中的强电子-声子耦合行为，激子结合能为318 meV，Huang–Rhys因子高达8.54。
图1 （左图）自陷态激子形成机制示意图；（右图）Cu缺乏CIPS中具有明显斯托克斯位移的吸收光谱和光致发光光谱
在此基础上，研究采用对二维材料激子响应高度敏感的古斯-汉欣位移光谱方法，直接探测到自陷态激子对材料光学电导率的调制作用。实验表明，自陷态激子主要受面内偏振光激发，并在光学电导率谱中呈现出由正到负的色散特征，反映了局域激子态对载流子输运的抑制效应。CIPS中自陷态激子的发现，表明该材料在保持室温铁电性的同时兼具可见光发光活性，不仅为探索铁电与光物理的多场耦合机制提供了基础，也为宽带发光器件、光电探测及神经形态光电器件的设计开辟了新的可能性。
本项工作以南开大学为第一完成单位，南开大学物理科学学院本科生阎韵澎和博士研究生屠嘉兴为共同第一作者，刘智波教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目和天津市科技计划项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202528961
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