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固态激光制冷自Pringsheim于1929年提出、并于1995年首次在稀土掺杂固体中实现以来，长期依赖一种声子辅助上转换光致发光（UCPL）机制：被吸收的光子在发射时湮灭晶格声子，从而把热量随出射光带走。然而该路线对材料提出了极为苛刻的要求——需要接近百分之百的发光量子产率、极低的寄生吸收以及精确调谐的激发能量，这在绝大多数半导体中难以满足，严重限制了可用材料与器件集成。
二维半导体为调控光—物质、热—物质相互作用提供了全新平台。原子级厚度使其可堆叠成范德华异质结，其电子、光学和声子行为均由层间相互作用主导。尽管单层过渡金属硫族化合物具有强电声耦合并已实现UCPL，但其发光量子产率远低于制冷阈值，激光制冷至今未在二维材料中实现。因此，探索UCPL之外的替代制冷机制十分必要。
作者据此提出一种全新机制——界面电荷转移驱动（ICT-driven）的光制冷。半导体制冷的根本前提是有效提取声子。前人研究已证实二维异质双层的界面电荷转移过程中存在动量失配与声子参与，这启发作者思考：声子辅助的电荷转移能否被用于光制冷。要实现这一点必须存在一个能量势垒以耗散声子能量（即热量）。但在被广泛研究的强耦合异质双层中，电荷转移往往无能垒发生。由此引出第一个挑战：调节层间耦合、引入能垒以实现单向声子提取。第二个挑战在于实现被冷却材料与环境热沉之间的晶格热隔离，需要足够高的界面热阻来抑制热回流。
成果简介
近日，南京大学徐伟高教授、清华大学熊启华教授，高华健教授等人在《Nature》上报道了一种区别于传统UCPL的全新光制冷路线：在二维半导体异质结中，利用声子辅助的界面电荷转移非辐射地提取晶格能量，实现对电子施主层的净制冷。
以WSe₂/MoSe₂异质双层为例，其制冷循环为：（1）激发后WSe₂导带的热电子越过II型结的界面能垒、在声子参与下转移到MoSe₂导带；（2）主要热弛豫发生在MoSe₂层，热量随后传向外部热沉；（3）WSe₂与MoSe₂之间的界面热阻抑制热量回流至被冷却的WSe₂层，从而实现净制冷。围绕这一模型，作者首先通过调控层间耦合状态来构建界面电荷转移所需的能垒。
作者制备了三类层间耦合强度不同的样品：弱耦合的Hweak（层间距大于2 nm）、强耦合的Hstrong（层间距约0.6 nm、扭角接近0°或60°），以及介于两者之间的Hintermediate（约75 ℃加热15分钟、扭角20°—40°）。只有Hintermediate能同时满足高效声子提取与抑制热回流两个条件。借助反斯托克斯/斯托克斯拉曼强度比（IaS/IS）这一层特异的测温手段，作者发现Hintermediate中WSe₂的强度比显著降至0.24，而单层、Hweak、Hstrong均接近0.51。换算得到Hintermediate-WSe₂的晶格温度约为187 K，明显低于单层WSe₂的300 K、Hweak的约307 K与Hstrong的约318 K。室温透射谱证实激发能（2.33 eV）位于WSe₂激子的红失谐边、各耦合态吸收平坦，排除了共振增强造成的假象。
温度依赖实验（78—300 K）表明，ICT制冷是高度温度依赖的过程：环境温度降低时晶格温度可进一步下降，但制冷幅度ΔT逐渐减小，当环境温度低于约120 K时已与非制冷样品难以区分——这与低温下声子布居减少、声子辅助电荷转移效率下降一致（A1g/E2g模声子数从300 K的0.435降至120 K的0.053）。室温下WSe₂与MoSe₂之间跨纳米间隙的温差超过100 K，对应约10¹¹ K m⁻¹的巨大热梯度。分子动力学模拟显示，层间热导随间距呈指数衰减，跨越三个数量级，证实范德华间隙的微小变化即可强烈抑制声子回流；近场热辐射贡献可忽略。
超快瞬态吸收（WSe₂/WS₂体系）进一步揭示了能垒与声子参与：Hintermediate中WS₂基态漂白的延迟时间随温度降低而增大（298 K约56 fs、78 K约85 fs、10 K约114 fs），由Arrhenius关系估得有效ICT能垒在77—298 K约为3.8 meV；而Hstrong的ICT时间约47 fs且与温度无关。在Hintermediate中，超快电荷转移先于层内弛豫，转移效率高达99.7%，热载流子在耗散多余能量前即被高效抽离界面。
该方案还展现出突出的激发与材料容差：在各扰动光束下、即使功率高达100 μW，Hintermediate-WSe₂温度仍稳定低于室温；并且无需接近百分之百的量子产率，即便是量子产率仅约0.1%的CVD生长WSe₂，制冷效应依然存在。
图注说明
图1 ICT驱动光制冷的概念及WSe₂/MoSe₂–Hintermediate中WSe₂反常声子布居的观测。（a）type-II二维半导体异质结中声子辅助界面电荷转移的概念示意，声子消耗与单向热传输导致电子施主层被冷却。（b）层间耦合强度随层间距d与扭角θ变化的异质结示意。（c）1L-WSe₂、Hweak、Hintermediate、Hstrong的反斯托克斯/斯托克斯拉曼光谱，蓝色填充标记WSe₂的A1g/E2g模（约249 cm⁻¹），仅Hintermediate的强度比显著降低。（d）Hweak与Hintermediate的温度成像。（e）Hstrong的温度成像。
图2 拉曼测温与环境温度依赖的制冷行为。（a）1L-WSe₂与Hintermediate在77—300 K的拉曼光谱。（b、c）WSe₂与MoSe₂强度比随环境温度的变化，仅Hintermediate-WSe₂明显偏离其它样品。（d）1L-WSe₂的校准曲线。（e）三类样品中WSe₂温度随环境温度的变化，Hintermediate持续低于环境温度线。（f）分子动力学模拟所用2H堆叠WSe₂/MoSe₂的原子构型。（g）层间热导随层间距的指数衰减关系。
图3 不同层间耦合强度异质双层中声子介导的电荷分离与复合行为。（a—c）WSe₂/WS₂–Hintermediate在298 K、78 K、10 K的瞬态吸收二维谱，电荷转移时间随温度降低而增大（约56、85、114 fs）。（d）Hintermediate与Hstrong的ICT时间及ICT速率随温度的变化。（e、f）WS₂与WSe₂层的电荷复合动力学，Hintermediate衰减更慢。（h）拟合衰减时间随温度的变化。
图4 ICT光制冷的激发与材料容差。（a）Hintermediate-WSe₂温度随泵浦激光波长的变化，插图为双光束装置示意。（b）1L-WSe₂与Hintermediate-WSe₂温度随激光功率的变化，后者在宽功率范围内稳定低于室温。（c）不同发光量子产率下的制冷温度ΔT，与近百分之百量子产率要求的UCPL制冷形成对比，机械剥离与CVD生长WSe₂均落于ICT制冷区。
总结展望
作者提出的ICT驱动策略作为Pringsheim图景的有力补充，把光制冷扩展到非辐射途径，通过工程化的界面载流子运动实现声子提取，并能容忍较低的发光量子产率与较宽松的激发条件，为在原子尺度上引导能量流动提供了通用框架。一系列实验共同指向type-II半导体异质结中的净制冷，并为层间电荷转移过程中的声子参与提供了证据。
未来值得深入的方向包括：更精确的微纳尺度测温、对声子辅助ICT路径的更深入理解，以及向更广泛材料体系的拓展。更广义地看，这一方法有望在常温乃至高温条件下实现对低温电子、激子与声子现象的访问，并为量子与纳米尺度系统的无低温介质制冷与热管理提供新思路。
文献链接
https://doi.org/10.1038/s41586-026-10662-w
