本文介绍了中国科学院半导体研究所张新惠研究员团队在二维磁性层状材料NiPS 3中的研究成果。该研究利用时间分辨宽带泵浦-探测技术，以亚皮秒的时间分辨率研究了NiPS 3中ZR激子的超快动力学及相关的电荷转移过程。结果揭示了NiPS 3中ZR激子的产生和弛豫动力学演化过程，并发现了与电荷转移态激发相关的长寿命非辐射弛豫过程。
介绍了二维磁性层状材料，特别是过渡金属磷三硫族化合物（MPX 3）的研究背景，并详细描述了NiPS 3的物理特性及其在研究多体系统中自旋耦合的激子态方面的关注度。
重点介绍了张新惠研究员团队在NiPS 3中的研究成果，包括利用时间分辨宽带泵浦-探测技术研究ZR激子的超快动力学及相关电荷转移过程，揭示了ZR激子的产生和弛豫动力学演化过程，以及发现的长寿命非辐射弛豫过程与电荷转移态激发的关联。
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【研究背景】
二维磁性层状材料是研究低维磁性系统自旋相关物理的优良材料平台，被认为是新型自旋电子器件的理想候选材料。在磁性材料中，反铁磁体（AFMs）相比铁磁体具有独特的优势，比如没有杂散磁场且能抵抗外部磁场干扰。它们还具有太赫兹频率的超快自旋动力学特性。因此基于AFM中自旋操控的研究，将有助于推进高密度、高速和高性能自旋电子器件的研制。
最近，一类新型层状AFMs—过渡金属磷三硫族化合物（MPX
3
，M = Mn、Fe、Co或Ni，X = S或Se）引起了广泛关注。通常，MPX
3
具有半导体性质，带隙范围在1.2-3.5 eV之间，大于过渡金属二硫族化合物，且覆盖可见光范围。这种带隙更有利于电子或光电子器件应用。同一层内不同的自旋取向使这些过渡金属磷三硫族化合物能够保持反铁磁序直至单层，为探索低维磁体中的自旋耦合操控提供了良好材料平台。此外，已发现具有面内或面外磁各向异性、自旋排布为zigzag形或
Néel
型的AFMs，为丰富材料选择和功能设计提供了多种可能。
基于镍的磷三硫化物（NiPS
3
）在探索研究多体系统中自旋耦合的激子态方面受到广泛关注。作为一种
Néel
温度为150 K的电荷转移绝缘体，NiPS
3
中Ni原子的自旋方向几乎平行于二维平面，呈zigzag形排列，相邻zigzag链中的Ni原子沿a轴具有相反的自旋方向。NiPS
3
的光学带隙约为1.8 eV。当温度低至5 K时，可观察到线宽小于400 µeV的光致发光（PL）。这种超窄PL峰被归因于Zhang
–
Rice（ZR）单态（ZRS）和三态（ZRT）之间的激子跃迁。这些ZR激子产生自S到Ni点位电子的电荷转移。然而，有些研究提出了更多可能性，如带边激子复合和硫空位局域激子复合。超窄的PL还具有多种新颖现象，如自旋相关的线偏振特性和强磁场下的荧光峰分裂特性。这些发现赋予超窄PL在磁存储方面的潜在应用。然而，关于NiPS
3
中ZR激子动力学的研究还很少。首次利用条纹相机测量得到的激子寿命为11.2 ps，而瞬态反射光谱研究表明寿命至少为100 ps。最近，使用液相法制备的NiPS
3
薄膜的瞬态吸收测量更是显示ZR激子具有ns量级的长寿命。这些报告结果之间存在的巨大差异值得关注。此外，ZR激子的动态形成和弛豫过程尚未被详细讨论，对NiPS
3
进行更全面的超快动力学研究对揭示ZR激子的形成及其与NiPS
3
中电荷转移过程的内在关联非常必要。
【成果介绍】
鉴于此，中国科学院半导体研究所的张新惠研究员团队在Advanced Functional Materials期刊上发表了题为"
Charge-Transfer-Mediated Exciton Dynamics in Van der Waals Antiferromagnet NiPS
3
"的研究论文。这一研究利用时间分辨宽带泵浦
-
探测技术，以亚皮秒的时间分辨率研究了NiPS
3
中ZR激子的超快动力学及相关的电荷转移过程。该文系统地调节泵浦光子能量以跨越NiPS
3
的电荷转移态，同时保持探测光的光子能量固定在特征ZR激子峰位置。研究发现，除了在时间分辨光致发光（TRPL）测量中可见的短寿命弛豫外，还存在TRPL没能探测到的长达纳秒的长寿命弛豫过程，且与电荷转移态激发密切相关。通过系统的时域光谱学研究，该文的结果理清了现有NiPS
3
中ZR激子寿命结果的巨大差异，并为ZR激子通过NiPS
3
中的电荷转移过程动态形成和时间演化行为提供了进一步的实验证据。
【图文导读】
图1：NiPS
3
的反铁磁结构和尖锐的PL响应。a) NiPS
3
中zigzag状反铁磁结构示意图；b) 机械剥离的厚NiPS
3
薄片的光学显微镜照片。插图显示沿白色实线的高度分布；c) 10 和 50 K 温度下、用 3.06 eV 连续激光激发的NiPS
3
薄片的 PL 结果。峰 A 的低能端部分显示其与声子的耦合特征。为获得更清晰的视图，将 50 K 下的 PL 数据乘以 5 倍；d) 利用光子计数技术在10 K下测得的 TRPL（红色曲线）。虚线蓝色曲线为仪器响应函数 (IRF)。
图2： 10 K 下
NiPS
3
薄片的宽带瞬态反射谱结果。a) 基于泵浦
−
探测的宽带瞬态反射光谱装置示意图；b)
|Δ
R
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R
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随光子能量和延迟时间的变化。两个特征反射峰出现在1.476 eV（峰 A）和 1.502 eV（峰 B）处；c) 时间平均的
|Δ
R
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R
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光谱；d) 两个峰 A 和 B 的
|Δ
R
/
R
|
随时间的变化（通过对每个峰的 FWHM 积分而获得）。
图3： 在不同泵浦能量下，10 K 下测量的峰 A 的瞬态反射谱结果。a) 沿延迟时间方向对峰 A 的 FWHM 面积进行积分，所得到的峰 A在不同泵浦能量下的
|Δ
R
/
R
|
结果；b)
|Δ
R
/
R
|
峰值幅度和长寿命组分的光谱权重随泵浦能量的变化；c) 峰 A 的短寿命和长寿命随泵浦能量的变化；d) 提取的上升时间与泵浦光子能量的关系。
图 4：
峰 A在不同泵浦功率和温度下的瞬态反射谱结果。a) 峰A短寿命和长寿命弛豫过程的|Δ
R
/
R
|幅度随泵浦功率的变化；b) 峰A的短寿命和长寿命随泵浦功率的变化；c) 10 至 230 K 不同温度下的瞬态反射光谱；d) 峰 A 的短寿命和长寿命弛豫过程的|Δ
R
/
R
| 幅度随温度的变化；e) 峰A的短寿命和长寿命随温度的变化。
【总结展望】
总结而言，该文通过系统地调节泵浦光子能量跨越了范德华反铁磁体NiPS
3
的电荷转移态，使用宽带瞬态反射率测量研究了ZR激子的产生和弛豫动力学演化过程。除了与TRPL结果一致的几十皮秒的短寿命过程外，该研究还发现了一个长达纳秒的长寿命非辐射弛豫过程，并证实这一长寿命弛豫过程与NiPS
3
的电荷转移态激发密切相关。该文的结果为NiPS
3
中通过电荷转移态到ZRT态的超快电荷转移（1
~
2皮秒）并进而形成ZR激子提供了实验证据。这一工作也表明反铁磁NiPS
3
是探索研究强关联多体系统中光子、自旋和电荷耦合的良好材料平台。
【文献信息】
Y. Li, G. Liang, C. Kong, B. Sun, X. Zhang, Charge-Transfer-Mediated Exciton Dynamics in Van der Waals Antiferromagnet NiPS
