Advanced Optical Materials:各向异性二维材料的光学和等离激元性质综述

现代科学技术的快速发展很大程度上得益于新材料的发现和应用。而其中具有原子级厚度的二维材料是非常重要的成员之一。由于电场屏蔽效应的减弱和量子限制效应的增强,二维材料展现出了与体材料显著不同的性质。另外,在厚度仅为原子级别时,二维材料仍然与光有很强的相互作用。因此光谱为研究二维材料的性质和应用提供了重要的手段。最近,一系列具有面内各向异性电子结构的二维材料被提出和发现,包括黑磷(BP),ReX2 (X = S, Se), MX (M = Sn, Ge; X = S, Se)等。与传统的各向同性的二维材料(如石墨烯,过渡金属硫化物和氮化硼等)相比,可以利用各向异性二维材料来探测和控制光的偏振,为二维材料的光电器件提供一个额外的调控维度。除此之外,有理论预言由于各向异性的带内和带间跃迁,各向异性二维材料在特定波段会在面内两个垂直的晶轴方向上分别呈现出导电和介电的性质。这种极端的各向异性会使得材料天然的承载具有定向传播特性的双曲型等离激元。与传统的各向同性二维材料等离激元不同,双曲型等离激元具有理论上的无穷大的态密度,在等离激元的定向传播、自发辐射增强和热辐射调控方面有重要作用。

在各向异性二维材料中,黑磷因其可调控的直接带隙和较高的电子迁移率而受到广泛的关注。另外,黑磷具有较窄的带隙,光谱响应延伸至中红外波段,正好填补了其它二维材料,如石墨烯和过渡金属硫化物之间的空白。因此探索黑磷与光的相互作用对各向异性二维材料的研究有重要的指导意义。复旦大学晏湖根教授及其博士后王冲和西北工业大学张国伟教授等人对典型的各向异性二维材料—黑磷的光学和等离激元性质的理论和实验研究做了详细综述。

文章首先介绍了黑磷的各向异性的能带结构,并通过吸收光谱实验展示了黑磷各向异性的带内和带间跃迁。随后作者介绍了黑磷在发光、光电探测器、非线性和超快光学方面的实验进展。这些应用都因为黑磷各向异性的电子能带结构而展现出了很强的光偏振依赖特性。在等离激元方面,作者首先介绍了以黑磷为例的双曲色散等离激元的理论工作。随后介绍了近场和远场条件下的黑磷各向异性的等离激元的实验报道。但由于黑磷低的载流子浓度和空气中的不稳定性,目前还没有证明双曲型等离激元的实验。作者在文末提出了其它可能实现天然双曲等离激元的各向异性二维材料,其中着重强调具有各向异性的层状拓扑半金属材料。因其具有更大的载流子浓度,低的带间跃迁能量和超高的电子迁移率,为未来实现双曲型等离激元提供了另一个平台。 作者相信,此综述文章从黑磷出发,为未来其它各向异性二维材料的性质研究和器件应用提供重要的参考。相关论文以“The Optical Properties and Plasmonics of Anisotropic 2D Materials”为题,在线发表在 Advanced Optical Materials( DOI: 10.1002/adom.201900996)上。