六方 Ge 多态的光学选择规则及其由对称性扰动的解除
材料科学
2026-05-12 v1
摘要
六方面向 germanium 多态已成为集成硅光子器件的有前景的直接带隆半导体，但其光学性质在 2H 相之外仍鲜有探索。我们通过 ab initio 计算准粒子能带结构、偶极跃迁�矩阵元以及解耦 Bethe-Salpeter 方程，系统性地研究了六方 2H、4H 和 6H Ge 多态的光学性质。虽然所有三种多态均表现出从 2H 到 6H 逐渐增大的直接带隆，但我们发现 4H-Ge 的基本光学跃迁因价带边和导带边的能带奇偶性匹配而被禁止。这一选择规则导致其辐射寿命比 2H 和 6H-Ge 长七个数量级，严重限制了光子发射能力。为演示该选择规则可被解除，我们通过将每个晶格单元中的单个 Ge 原子取代为 Si 引入受控对称性扰动，打破晶体对称性。该扰动使光学矩阵元提高最高可达两个数量级，并降低所有扰动多态的辐射寿命。我们还计算了包括 5 eV 内的细胞效应在内的两种光极化下的吸收系数和频率依赖介电张量，为理想和对称扰动的六方 Ge 系统提供了完整的光学表征，为光子器件应用提供了依据。
引用
@article{arxiv.2605.10709,
title = {Optical selection rules in hexagonal Ge polytypes and their lifting by symmetry perturbation},
author = {Martin Keller and Haichen Wang and Friedhelm Bechstedt and Jürgen Furthmüller and Silvana Botti},
journal= {arXiv preprint arXiv:2605.10709},
year = {2026}
}
备注
21 pages, 7 figures, submitted to Phys. Rev. B