近日，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、宽禁带半导体研究中心、人工微结构和介观物理全国重点实验室、纳光电子前沿科学中心唐宁、沈波团队和北京理工大学物理学院段俊熙团队合作在原子级薄六方氮化硼的能带结构研究上取得重要进展。通过深紫外共振激发证明了原子级薄六方氮化硼（h-BN）是一种间接带隙半导体，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。相关研究成果以“深紫外共振激发揭示原子级薄六方氮化硼的间接带隙特性”（Indirect band nature of atomically thin hexagonal boron nitride identified by resonant excitation in the deep ultraviolet regime）为题于2025年7月23日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并被选为编辑推荐文章。
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发光器件、自旋电子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。上述矛盾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，研究团队结合了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。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。
图1. 单层BN在紫外近共振激发下的光谱。谱峰随激发能量而全局移动，证明信号为共振拉曼而非光致发光。
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。
北京大学物理学院博士后付雷、北京理工大学物理学院博士研究生胡虞卿为论文共同第一作者，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。该工作得到了北京大学葛惟昆教授、戴伦教授、路建明助理教授、杨怀远博士，北京理工大学姚裕贵教授等合作者的指导和帮助。研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家重大科研仪器研制项目、国家杰出青年科学基金项目、重点项目、创新研究群体等项目的支持。
论文原文链接：https://doi.org/10.1103/rt4w-v9r8
