Advanced Functional Materials:通过表面等离激元调控二维TMDs材料的谷荧光辐射

过渡金属二硫化物(TMDs)因为其特殊的晶格排布结构,成为了一种具备天然带隙的半导体材料,拥有着丰富且优秀的物理性能与光学响应。单层TMDs材料的能带结构会由多层的间接带隙转化为直接带隙,使得单层TMDs材料具有较为显著的光致荧光发射。二维TMDs材料的带边电子性质主要由布里渊区中两个不等价的K和K′谷所支配,二者彼此之间具有时间反演的相互联系,呈现出类似自旋1/2系统的二进制自由度,故而被称为谷的“赝自旋”。K谷与K’谷会分别与自旋角动量相反的光子产生响应,即K谷与K’谷会分别吸收或发射旋性相反的左旋光与右旋光,令人高兴的是,这一点可以从实验上直接探测得到。

K谷与K’谷相反的光子自旋响应所提供的新颖自由度为未来的量子存储和信息处理提供了潜力,从而引发了大量的相关研究工作。然而,天然的谷荧光信号强度在室温下依然较弱,且辐射通常是无方向的,在光电器件中的传输和耦合方面有其相对的局限性;同时K谷与K’谷之间的谷间散射表现为等价的,也会限制谷相关器件的发展。表面等离激元作为光在金属与介质表面相互作用产生的振荡电子气,在近场光学亚波长尺度有增强和调控光的优势,可以有效地克服传统谷荧光辐射的一些缺陷,也能够有效地将谷荧光信号耦合进光电器件中,通过不同微纳结构的设计,还可以实现谷信号依据外界激发条件选择性地呈现不同响应,是一种实现主动调控谷荧光辐射的良好手段。

近期,北京大学方哲宇团队撰写了关于表面等离激元调制TMDs谷荧光辐射近五年相关工作的综述,发表在了Advanced Functional Materials 杂志,文章第一作者为团队的邓妙怡博士。该综述从表面等离激元调控谷荧光的不同原理出发,对这一领域的相关研究从理论的角度进行了分析,并依照等离激元的调控手段和对谷荧光辐射的调控目的进行了近5年相关工作的归纳与总结。分别是以光子霍尔效应为原理对谷荧光辐射传播方向的分离,局域表面等离激元通过近场耦合调控谷荧光的辐射方式(手性结构影响谷激子吸收从而调制谷偏振度等),以及通过等离激元近场增强特性对谷荧光信号的探测(包括暗态、线性及非线性谷信号)。最后,文章结合了该领域一些新兴的研究方向,如拓扑、磁等离激元、能量转移以及强耦合等,对未来谷荧光调控的潜在发展方向进行了讨论。

表面等离激元对谷荧光辐射的调控,在很大程度上促进了量子信息的存储和处理,而表面等离激元背后拥有的物理机制与可运用的场景是灵活且丰富的。随着对谷电子学研究的不断深入,通过表面等离激元调控谷荧光辐射的研究领域会勃发出越来越多的机遇,从而在未来提供越来越成熟的表面等离激元-谷荧光器件的应用方式。

相关研究结果发表在Advanced Functional Materials。

论文信息:

Plasmonic Modulation of Valleytronic Emission in Two‐Dimensional Transition Metal Dichalcogenides

Miaoyi Deng, Xiao Wang, Jianing Chen, Ziwei Li, Mengfei Xue, Zhiyuan Zhou, Feng Lin, Xing Zhu, Zheyu Fang

Advanced Functional Materials

DOI:10.1002/adfm.202010234