二维半导体中电磁模式的从头算研究：以掺杂磷烯为例

从严格的量子场论形式出发，我们推导出一个用于研究光与基本电子激发耦合及随之产生的二维（2D）半导体中电磁模式的屏蔽电导率公式。该物理量由三个完全可分离的部分组成，即带内、带间和阶梯电导率，并在超越随机相位近似以及从头算的层面上进行计算。利用该方法，我们研究了二维黑磷（即磷烯）中作为注入导带电子浓度函数的光学吸收谱。详细研究了磷烯激子猝灭与掺杂的机制。结果表明，即便很小的掺杂水平（$n\sim 10^{12}\,{\rm cm}^{-2}$）也会导致激子结合能的急剧下降，即从 $600\,{\rm meV}$ 降至 $128\,{\rm meV}$。该屏蔽电导率被用于研究掺杂磷烯中的集体电磁模式。结果表明，磷烯横向激子与自由光子杂化形成激子-极化激元。该现象仅在受限电磁微腔模式的实验中观察到。最后，我们证明了各向异性二维等离激元-极化激元的能量和强度可通过改变注入电子的浓度进行调控。