南京大学物理学院刘尔富课题组与合作者的论文 “Excitonic Stark Response Induced by Quantum Capacitance in van der Waals Heterostructures” 发表在 Physical Review Letters。南京大学物理学院博士生洪祥智为论文第一作者，刘尔富副教授为通讯作者。祝贺洪祥智、刘尔富老师及全体合作者。
在二维范德华异质结构中，上下栅极可分别调节载流子密度和垂直电场。常用的几何电容模型根据外加电压和器件结构估算内部电场，但界面电荷转移会改变电荷分布；当材料的电子态密度有限时，量子电容也会影响电势如何分配。因此，几何模型未必能准确描述器件内部的实际电场。
研究团队构建了由单层石墨烯和双层 MoS₂ 组成、以六方氮化硼封装的双栅器件。双层 MoS₂ 中两种层间激子具有相反的面外电偶极矩，光谱能量会随局域电场产生方向相反的斯塔克位移。团队在约 6 K 下测量反射对比光谱，发现即使外加栅极电场保持为零，层间激子能量仍随掺杂变化，并与几何模型的预测存在偏差。
为辨别偏差来源，团队比较了底栅和顶栅扫描。扫描底栅时，栅极电场与转移电荷产生的内部电场同向变化；扫描顶栅时，几何模型预测两者应相互抵消。实验中，顶栅扫描仍使两种相反偶极的激子产生不同的能量位移，表明内部电场并未完全抵消。
激子能量也会受到多体屏蔽影响。团队比较两种激子的 1s 与 2s 激发态，发现两者的能级间距随掺杂近乎同步变化。结合带隙重整化分析，这支持多体效应对两种偶极取向的影响大体对称。通过考察两条激子支的能量差，可以抑制这类近似对称的贡献，提取残余斯塔克响应。
研究将该残余响应归因于石墨烯的量子电容。施加栅压时，部分电压用于改变石墨烯的化学势，使实际转移电荷少于纯几何模型的预测。由载流子形成的内部电场因而无法完全抵消栅极电场。纳入石墨烯量子电容后，模型无需额外拟合参数即可描述测得的激子能级劈裂。进一步的实验标定表明，能级劈裂的变化可用于定量读取石墨烯的局域化学势。
结果表明，在存在界面电荷转移、且量子电容与几何电容相当的器件中，量子电容对内部电场的修正不能忽略。相反偶极激子的差分光谱提供了一种在器件工作条件下，以微米尺度探测埋藏界面局域电子性质的方法。
王伯根教授参与了理论解释；日本国立材料科学研究所的 Takashi Taniguchi 和 Kenji Watanabe 提供了器件制备所需的六方氮化硼晶体。
论文信息： Physical Review Letters 137, 186902 (2026)。
