在一种层状磁性材料中用电激发特殊的光与物质混合态

二维（2D）材料是凝聚态物理研究的前沿，为探索新奇量子现象和下一代器件应用提供了多功能平台。其中，范德华（vdW）磁体因层间弱相互作用可实现原子尺度限制（直至单层），而半导体vdW磁体因光学和电子性质可调控，成为基础研究与自旋电子学的热门候选。铬硫溴化物（CrSBr）作为代表，具有较高奈尔温度、空气稳定性、强束缚激子（振子强度大）、本征反铁磁（AFM）有序及强电子各向异性，适用于量子技术和自旋电子学。其强振子强度能形成自杂化激子极化激元，实现对激子态的精确控制，但实际应用需电激发激子态。

本研究采用基于隧穿电子的近场激发技术，器件结构为CrSBr层置于石墨烯-六方氮化硼（hBN）-金隧道结之上（开放电极设计，活性材料不在导电通路中）。电压施加时，电子从石墨烯隧穿至金电极，非弹性隧穿电子可通过能量转移直接激发邻近CrSBr层的激子（效率取决于距离、激子振子强度和偶极取向）。器件经干法转移制备，CrSBr处理在氩气手套箱中进行以防氧化，最终结构覆盖于预图案化金电极上。电致发光（EL）测量显示，25纳米厚CrSBr在1.35 eV附近有明显共振峰，强度随电压增加，IV曲线呈隧穿特性（高电压下电流指数增长）。

不同厚度CrSBr的电激发激子行为各异：25纳米厚样品EL主峰与PL中较小特征峰重合，低能端小峰可能为声子伴线，因激发机制不同（PL中激子需弛豫，EL为近场共振激发）导致强度分布差异；双层CrSBr的EL主要对应表面激子（1.34 eV附近），体激子因距离激发区远未被激发。EL的强线偏振各向异性（与CrSBr准一维能带结构相关）证实激子起源，且未观察到带电激子态，表明近场能量转移直接激发电中性激子。

体块CrSBr（104纳米厚）的EL和PL均呈多峰结构，与反射率对比度导数中的共振峰匹配，这是自杂化激子极化激元的特征——CrSBr晶体因与空气、金电极界面的折射率突变限制光子，光模与强激子共振耦合形成多个极化激元分支。250纳米厚样品的EL与PL形状相似，反射率谱显示光学模式弯曲，进一步证实混合激子性质。

电压依赖性研究显示，激子发射强于直接电子-光子耦合的宽带发射，外量子效率（EQE）随电压升高增加（归因于非弹性隧穿增强）。局域态密度（LDOS）计算表明，CrSBr的高振子强度和极化激元形成增强了LDOS，使隧穿电子有效耦合激子态。温度依赖性方面，EL在奈尔温度（~130 K）以上至室温均可观测，高温下激子发射减弱，出现电子-光耦合宽带发射，为器件实用化奠定基础。

综上，本研究实现了vdW磁体中激子极化激元的电激发（厚度可变，低温至室温），提出隧穿电子-激子能量转移作为传统电荷注入的替代机制，为磁性vdW材料中激子和电子态操控及未来自旋电子器件开辟了新途径。