近日，中国地质大学（武汉）Betvictor中文版杜桃园团队联合香港理工大学李明杰等研究人员，在二维范德华异质结的超快动力学与光电转换领域取得重要进展。研究成果以“Low-threshold interlayer exciton multiplication in twisted transition metal dichalcogenides heterobilayers”为题，发表于Nature 子刊Light: Science & Applications, 2026, 15:113。论文全文链接: https://doi.org/10.1038/s41377-026-02193-w。团队深入探讨了光激发下扭转过渡金属硫化物异质双层材料中的层间激子倍增动力学过程。该工作为突破太阳能电池能量转换效率极限、开发高效低能耗的新型光电器件提供了全新的物理机制和理论设计平台。
图 1 扭转二维异质结中的低阈值层间激子倍增过程及其实验观测示意图
多激子产生（Multiple exciton generation, MEG）是指半导体材料在吸收单个高能光子后产生两个或多个电子-空穴对的物理过程，这一机制是提升光子利用效率和突破光电器件量子效率理论极限的核心技术。近年来，随着纳米材料和量子材料的发展，探寻具备高效多激子产生效应的新型系统备受关注。然而，传统体相材料受限于严格的动量和能量守恒定律限制，其实际应用面临着难以逾越的瓶颈。传统材料的激子倍增光子能量阈值通常极高，远大于材料带隙的两倍，且产生出的多激子由于强烈的超快俄歇复合作用，通常仅能在材料内部存活极短的时间。如何在有效降低光激发阈值的同时，显著抑制复合过程以延长激子的寿命，一直是制约该光电转换前沿领域发展的关键难题。
图 2扭转角度带来的动量失配分析与层间热载流子散射机制理论计算图
面对这一挑战，研究团队创造性地构建了具有特定扭转角度的过渡金属硫化物范德华异质双层系统，并首次在其中成功观测到了低阈值的层间激子倍增现象。该异质双层材料体系展现出了令人惊叹的光电优越性，其激子倍增的能量激发阈值被极大地降低到了材料Ⅱ型带隙的两倍附近，几乎完美触及了能量守恒定律所允许的理论极限。更为重要的是，由于异质结中电子和空穴在空间上的有效分离显著降低了波函数的重叠，使得生成的多重层间激子具备了长达纳秒级别的超长寿命。理论计算结果进一步证实并揭示了这一奇特现象的微观物理机制，表明这种低阈值的层间激子倍增过程主要得益于极度高效的层间热载流子散射相互作用，并且在这一多体过程中始终伴随着具有吸引性质的层间激子相互作用，从而使得系统能够在极低能耗的驱动下实现多激子的高效繁衍。
令人尤为振奋的是，研究团队发现即便在较大的扭转角下使得异质结系统产生极其显著的动量失配，这种由晶格相对扭转带来的失配效应对整体激子倍增物理阈值的影响也微乎其微。这些优异的物理特性直接切中了传统多激子产生技术的核心痛点与难点，不仅直接带来了层间激子发光强度的显著跃升，更使得器件整体的光电流量子效率实现了大幅度的跨越式增长。该研究不仅全面揭示了扭转二维异质结中由于层间电子耦合所带来的丰富且奇特的多体物理特性，更为未来设计和制造具备高效载流子倍增能力的光电器件以及革新现代光伏能源技术体系指明了全新的演进方向。
本论文的第一作者为香港理工大学博士后王鹏智和中国地质大学（武汉）在读博士研究生王淦；中国地质大学（武汉）杜桃园副教授和香港理工大学李明杰副教授为共同通讯作者。
