科學(xué)家使用銀色鋸齒納米燈陣列，室溫下在二維二硫化鎢薄片中產(chǎn)生谷相干光致發(fā)光。到目前為止，這只能在非常低的溫度下實(shí)現(xiàn)。相干光可以用來在量子電子學(xué)中存儲(chǔ)或傳輸信息。

這種等離子體激子混合器件在集成納米光子學(xué)（光基電子學(xué)）中有很好的應(yīng)用前景，其研究結(jié)果發(fā)表在《自然通訊》期刊上。格羅寧根大學(xué)復(fù)合材料設(shè)備物理研究組負(fù)責(zé)人賈斯汀·葉副教授解釋說：

二硫化鎢具有有趣的電子性質(zhì)，可以作為二維材料使用，單層二硫化鎢的電子結(jié)構(gòu)顯示出兩組能量最低點(diǎn)（谷）。一種可能的應(yīng)用是光子學(xué)，因?yàn)樗梢园l(fā)射依賴于谷的圓偏振光，這是一種處理信息的新自由度。然而，電谷電子學(xué)需要相干和偏振的光。遺憾的是，前人的研究工作表明，在室溫下，二硫化鎢的光致發(fā)光偏振幾乎是隨機(jī)的。二硫化鎢的獨(dú)特之處在于這兩個(gè)谷并不完全相同。

這意味著要產(chǎn)生線偏振光，兩個(gè)山谷必須一致響應(yīng)才能在光致發(fā)光中產(chǎn)生光。但室溫下的谷間散射在很大程度上破壞了相干性，因此只有在接近零的非常低溫度下才能實(shí)現(xiàn)明顯的相干性。因此，科學(xué)家們嘗試了一種不同的方法，通過使用等離子體亞表面，以銀鋸齒納米燈陣列的形式來創(chuàng)建線偏振光，這種材料與二硫化鎢有很強(qiáng)的相互作用。

可以轉(zhuǎn)移金屬中電磁場(chǎng)形式的光引起的共振，增強(qiáng)了光與物質(zhì)的相互作用。通過在單層二硫化鎢表面上加一層薄薄的銀亞表面，在室溫下由谷相干性引起的線偏振增加到27%左右。這種室溫性能甚至比之前許多報(bào)告中在非常低溫度下測(cè)量到的谷極化還要好。在二硫化鎢光學(xué)響應(yīng)中加入鋸齒形等離子體共振的各向異性，可使線偏振進(jìn)一步提高到80%。這意味著科學(xué)家現(xiàn)在能夠在這種材料中誘導(dǎo)出線偏振光致發(fā)光。

這一成果將使在室溫下利用二硫化鎢的谷相干性和亞表面等離子體相干性成為可能。下一步是用電輸入取代誘導(dǎo)光致發(fā)光的激光。過渡金屬二鹵代化物(TMDC)單分子膜具有直接帶隙、自旋谷鎖定和高度可調(diào)的激子特性，在發(fā)光器件和集成納米光子學(xué)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，由于谷退相干效應(yīng)，室溫下光致發(fā)光偏振幾乎是隨機(jī)的。系那樣展示了通過將WS2單分子膜與精心設(shè)計(jì)的亞表面：

即銀鋸齒納米照明陣列相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)對(duì)激子發(fā)射偏振態(tài)的室溫控制。當(dāng)WS2激子與金屬納米結(jié)構(gòu)中表面等離子體共振產(chǎn)生的各向異性共振透射模耦合時(shí)，隨機(jī)偏振轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性。研究發(fā)現(xiàn)，這種耦合增強(qiáng)了對(duì)總線性二色性貢獻(xiàn)約30%的谷相干性。通過優(yōu)化亞表面進(jìn)一步調(diào)制傳輸模式，等離子體激子混合系統(tǒng)的全線性二向色性可達(dá)80%，這推動(dòng)了基于過渡金屬二鹵代化物的光子器件發(fā)展。

博科園｜研究/來自：格羅寧根大學(xué)

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-020-14597-2

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