【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】二維半導(dǎo)體因其原子級厚度和光電特性，被視為下一代光電子器件的關(guān)鍵候選材料之一。由于二維半導(dǎo)體通過層間范德華力結(jié)合，單層二維半導(dǎo)體可被輕易剝離并以垂直堆疊方式構(gòu)建成人工異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅能融合各層二維半導(dǎo)體的激子特性，還可以通過改變層間扭轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生具有轉(zhuǎn)角依賴特性的新型激子態(tài)。另一方面，如何控制發(fā)光方向?qū)Π雽?dǎo)體發(fā)光器件有重要意義。一般而言，實現(xiàn)定向發(fā)光需要光學(xué)諧振與發(fā)光介質(zhì)在近場相互作用，進(jìn)而將光輻射至遠(yuǎn)場。然而，由于二維半導(dǎo)體自身缺乏光學(xué)諧振，必須依賴外部光學(xué)諧振腔與之集成。因此，目前調(diào)控激子發(fā)射方向的方案多是基于各類人工納米光子結(jié)構(gòu)(如納米天線和光子晶體)與二維半導(dǎo)體集成。盡管這些外部光學(xué)諧振腔可通過腔內(nèi)電場或倏逝場增強(qiáng)光與激子的相互作用，但介質(zhì)材料與二維半導(dǎo)體的接觸界面可能會引入n型摻雜或?qū)е氯毕葺o助的非輻射復(fù)合，抑制激子發(fā)光。另外，所集成的介質(zhì)材料會產(chǎn)生強(qiáng)介電屏蔽效應(yīng)，顯著降低層間激子的結(jié)合能，進(jìn)而嚴(yán)重抑制層間激子的發(fā)光。
針對上述科學(xué)問題，中國科學(xué)院蘇州納米所張興旺團(tuán)隊提出了一種創(chuàng)新方案——自耦合光子晶體諧振技術(shù)。如圖1所示，通過在懸空的雙層WS2/WSe2上直接構(gòu)建光子晶體結(jié)構(gòu)，一方面完全消除了傳統(tǒng)集成中的界面接觸問題，另一方面也將材料的環(huán)境介電常數(shù)降至最低(1.0)，有效地減弱了介電屏蔽效應(yīng)從而提升了激子結(jié)合能。同時，原子層級光子晶體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的導(dǎo)模諧振還可以增強(qiáng)激子發(fā)光的Purcell因子和光提取效率。另外，通過調(diào)節(jié)激發(fā)光能量，可選擇性地激發(fā)特定激子。最后，憑借其固有的角色散特性，光子晶體可根據(jù)激子發(fā)光能量，實現(xiàn)激子發(fā)光在能量-動量空間的分選。該方法有望應(yīng)用于研究二維半導(dǎo)體莫爾超晶格中的激子調(diào)控。
圖1. 懸空的原子層級WS?/WSe?轉(zhuǎn)角異質(zhì)光子晶體中的激子發(fā)光在能量-動量空間的分選
該工作以 Directional sorting of exciton emissions from twisted WS2/WSe2 hetero-bilayers using self-coupled photonic crystal resonances 為題發(fā)表在 Science Advances 上。中國科學(xué)院蘇州納米所博士后陳玉華為論文第一作者，張興旺研究員為論文通訊作者，該研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持，同時也得到了中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站(Nano-X)、納米加工平臺的支持。
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