近日，我系晏湖根课题组首次在实验上测定了少层黑磷的光吸收强度，发现激子吸收随着层数的减少反而增大。4月15日，相关成果以《少层黑磷光电导的红外光谱研究》（“The optical conductivity of few-layer black phosphorus by infrared spectroscopy”）为题在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。我系博士后张国伟、博士生黄申洋分别为论文第一、第二作者，晏湖根教授和南方科技大学黄明远教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、复旦大学和应用表面物理国家重点实验室等支持。

“由碳原子单层‘一层一层’叠加起来的石墨是一种常见的材料，比如铅笔芯就是由石墨做成的。如果我们把其中的‘一层’单独拿出来，就成为石墨烯，是实验上发现的第一种二维材料。”晏湖根解释道，现在，人们已经发现类似的“层状”材料至少有几千种，代表性成员有石墨烯、硫化钼和黑磷等。二维材料虽然只有原子层级的厚度，但是表现出很强的光与物质相互作用。“比如，零带隙特性使得石墨烯具有超宽波段（从紫外到远红外）的光吸收能力；在单层硫化钼中，激子在共振波长可以吸收超过10%的入射光。”

在二维材料中，光的吸收是以二维光电导来描述的。人们发现，单层石墨烯的光电导在可见光和近红外波段是同一个常数，即σ₀ = e²/4ħ，仅由两个物理学基本常数决定。换言之，悬空的单层石墨烯可以吸收~2.3%的入射光。N层石墨烯的光电导为Nσ₀，与层数成正比。在硫化钼中，激子吸收也是随着层数而增加。而在黑磷中，课题组发现了截然相反的现象：层数越少，激子吸收却越强。

晏湖根课题组采用机械剥离法制备了高质量的少层黑磷样品，在干燥的氮气环境中对其进行傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征，定量地测定了2-7层黑磷的光吸收强度，并且详细地研究了光吸收与层数的关系。课题组发现，在少层黑磷中，激子对光的吸收能力随着层数的减少而增强（图a）;而带边吸收却几乎是一个常数，与层数无关（图b），这个常数不仅与石墨烯的通用光电导σ₀有关，而且还会受到能带各向异性的影响。

结合k·p方法和二维激子模型，课题组给出了合理的理论解释：简言之，在二维材料中，带边吸收是由光学跃迁过程中参与的子能带数量决定的。在N层石墨烯中，有N对子能带参与，所以光电导为Nσ₀，即单层的N倍。而在黑磷中，不管多少层，只有1对子能带参与，所以光电导都为~σ₀；对于激子来说，层数越少，介电屏蔽越弱、量子束缚效应越强，所以电子和空穴的“吸引力”就越大，导致吸收越强。

“刚发现这个现象时，我们感到非常吃惊。”晏湖根表示：“在现实生活中，一层窗帘可能还透点光，我们就用两层、甚至三层，这样光就不透了。对黑磷而言，层数越少，反而越不透光！这种‘以少胜多’的现象其实都是空间受限的量子效应在起作用”。

该工作比较了几种典型二维材料的光吸收，统一了对二维材料光吸收的认识，提出了对二维激子和价带电子光吸收的分析方法。晏湖根课题组长期致力于少层黑磷的红外光谱研究，这是继能带结构的演化（Nature Communications 2017, 8, 14071）、应力调控（Nature Communications 2019, 10, 2447）和激子效应（Science Advances 2018, 4, eaap9977）之后的又一项重要进展，为黑磷在红外探测、发光和调制等光电子应用领域提供了重要的实验依据。

图：2-7层黑磷中（a）激子吸收与层数的关系；（b）带边吸收与层数的关系；（c）二维激子示意图。