综述：二维材料中的长距离激子能量转移

《Laser & Photonics Reviews》：Long-Range Exciton Energy Transfer in Two-Dimensional Materials

　　长程激子能量传输机制研究：基于二维钙钛矿和过渡金属二硫属化物的自耦合激子-极化子（EPs）与等离子体激子-极化子（Plexcitons）的形成与探测

　　
本文综述了二维材料中激子与光子、等离子子耦合形成的极化激元（exciton-polaritons）及等离子激子-激子耦合体（plexcitons）的物理机制、探测方法及其在量子光学和集成光子学中的应用潜力。研究聚焦于过渡金属硫族化物（TMDs）和二维钙钛矿材料（如Ruddlesden-Popper体系）的自耦合极化激元体系，并探讨了激子-等离子子耦合机制。

### 一、激子极化激元（EPs）的形成与探测
#### 1. 材料体系与耦合机制
二维材料中，激子因低介电屏蔽效应表现出高束缚能（TMDs约100-500 meV，二维钙钛矿约10-50 meV）。当材料厚度小于光波长时，激子与薄膜的光学模式（如法布里-珀罗谐振、导模）发生强耦合，形成混合量子态——极化激元（EPs）。其能带结构表现为激子能级的分裂：上极化激元（UP）主要包含激子成分，下极化激元（LP）则具有更强的光子特性。

#### 2. 探测技术对比
- **远场光谱学**：通过反射谱或荧光谱观测法布里-珀罗谐振峰及极化激元的能带结构。例如，在RPP薄膜中，反射谱显示明显的法布里-珀罗 dips，对应LP分支的辐射模式（图1b）。角分辨光谱可解析极化激元的动量分布（图3a-d）。
- **电子束技术（CL/EELS）**：利用电子与材料相互作用激发过渡辐射或能量损失谱，实现亚纳米分辨的极化激元成像。例如，通过调节电子能量可观测不同厚度的TMD薄膜中LP和UP的能带分裂（图7-10）。
- **近场扫描光学显微镜（SNOM）**：突破衍射极限，直接成像导模极化激元的波前分布。实验显示，TMD薄膜中导模极化激元的传播长度可达微米级，且可通过偏振调控实现单向激发（图14-15）。

#### 3. 关键物理现象
- **模式竞争**：薄膜厚度影响极化激元类型。当厚度小于截止值（如TMDs约50 nm），法布里-珀罗谐振主导；厚度更大时，导模成为主要传播形式（图2a-c）。
- **边场增强效应**：材料边缘因几何限制形成局域模式（如表面极化激元），其传播长度可达数十微米，且可通过调节边缘曲率进一步优化（图10a-f）。
- **耦合强度调控**：极化激元耦合强度与材料本征参数（如介电常数ε、激子束缚能）及外部条件（如厚度、掺杂）密切相关。理论计算表明，TMDs的耦合强度可达235 meV（图2h），显著高于传统半导体材料。

### 二、等离子激子-激子耦合体（Plexcitons）的调控
#### 1. 等离子子模式的作用
金属纳米结构（如Ag纳米盘、金薄膜）支持的等离子子模式（SPPs）与激子发生强耦合，形成等离子激子-激子混合态（plexcitons）。其能带结构表现为激子能级与等离子子模式的能量交叉，导致能带劈裂（图17a-d）。

#### 2. 关键实验发现
- **长程能量传输**：在Ag纳米阵列与钙钛矿薄膜的异质结中，等离子子可引导激子能量传输超过百微米距离，效率达90%以上（图16e-i）。
- **动态调控**：通过调节激光功率或电场偏置，可实现等离子子共振频率与激子能级的动态匹配，从而控制plexcitons的激发状态（图17e）。

#### 3. 技术挑战
- **材料稳定性**：钙钛矿易受环境退化，需通过封装（如hBN）或异质结构设计（如金属/二维材料异质结）提升稳定性。
- **探测灵敏度**：CL技术对低浓度掺杂敏感，但需控制电子束辐照损伤；EELS则能直接成像等离子子分布，但受限于样品导电性。

### 三、 F?rster能量转移机制
#### 1. 非相干FRET的局限
传统FRET受限于偶极-偶极作用范围（5-10 nm），且依赖材料均匀性。在钙钛矿薄膜中，通过优化量子点排列密度（$$ nm间距）可实现平面FRET，扩散长度达200 nm（图20g-h）。

#### 2. 相干FRET的突破
低温（$$ K）下，激子呈现玻色-爱因斯坦凝聚特性，能传输距离超过微米级（图20f）。近期研究在室温下通过二维钙钛矿量子阱实现亚皮秒级相干能量转移（图21b）。

### 四、未来研究方向
1. **多模式耦合体系**：探索激子-等离子子-光子多体耦合态，如金纳米结构与TMD异质结中的三重耦合。
2. **动态调控技术**：利用电场/光场调控极化激元相位，实现可编程光子电路。
3. **规模化制备**：开发大面积均匀薄膜（如液相剥离技术）及3D异质结集成工艺，为光电子器件提供材料基础。

### 五、应用展望
- **量子计算**：极化激元的量子比特特性（超短相干时间$$ ps）可用于构建量子节点。
- **光电转换**：通过极化激元引导激子高效传输至电极表面，实现有机太阳能电池效率突破（理论极限>30%）。
- **集成光子器件**：基于自耦合极化激元的薄膜可制造无布线激光器、光调制器等（图16h-i）。

本文通过系统综述近五年关键研究成果，揭示了二维材料中光-激子-等离子子多场耦合的物理本质，为下一代量子光电器件设计提供了理论框架和技术路径。