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光控光子器件新思路——激光主动调控单层二硫化钼/银纳米天线复合结构中等离激元与激子的耦合

随着半导体器件的尺寸和处理速度接近其物理极限,探索新型光电子器件迫在眉睫,在更小尺寸实现更高的处理速度是人们一直追求的目标。随着等离激元光子学领域的发展以及以二硫化钼(MoS2)为代表的新型二维纳米材料的涌现,实现这一目标成为可能。利用MoS2激子与金属纳米天线中等离激元的耦合可以产生新颖的物理现象,例如:强耦合、Fano共振等等,同时在新型光电子器件中具有广泛的应用前景,是近些年来国际上的研究热点。最近,北京大学物理学院方哲宇课题组利用激光实现了对单层二硫化钼/银纳米天线复合结构中等离激元与激子耦合的主动调控。

光控光子器件新思路——激光主动调控单层二硫化钼/银纳米天线复合结构中等离激元与激子的耦合

MoS2单层是一种直接带隙半导体材料,因其具有新颖的光学、电输运、力学等物理特性,引起了国内外研究人员的极大兴趣。单层MoS2具有较高的光致荧光(Photoluminescence)量子效率以及较大的激子束缚能,使得在室温下实现基于激子的光电子器件成为可能。单层MoS2激子的发光特性不仅取决于其能带结构,还和载流子浓度有关。近期已有科研人员利用静电掺杂、物理吸附、化学掺杂等手段改变MoS2的发光特性,但是遇到了掺杂不易调控、效率不高等问题。同时,其原子级别的厚度(~0.65nm)限制了光与激子的相互作用,使得单层MoS2的发光以及吸收特性较弱。

近些年来,表面等离激元的研究使得纳米光子学领域和技术产生了巨大的发展,在光镊、太阳能电池、生物传感等领域获得了广泛应用。金属表面电子的集体振荡,称为表面等离激元共振,实现了纳米尺度上的光操控和极大地电磁场增强,使得光与物质相互作用的效率得到了极大地提升。方哲宇等人创新地制备了单层二硫化钼/银纳米天线复合结构,利用激光激发光生激子使得MoS2的介电常数等特性发生改变,改变复合结构中等离激元与激子的耦合,从而实现动态调控表面等离激元共振。通过对复合结构吸收光谱的分析和表征,发现这种调控能力不仅依赖于激光的功率,还可以通过改变银纳米天线尺寸、形状以及入射光的偏振状态来改变,还可以实现对不同等离激元电磁模式的选择性调控。这项研究揭示了单层二硫化钼/银纳米天线复合结构中激光调控MoS2激子特性及其与等离激元耦合的基本原理,为实现新型光控光子器件及其在微纳光电子器件、生物传感等领域的应用提供了新思路。

美国Rice大学Pulickel M. Ajayan教授为该工作提供了高质量的单层MoS2。该研究成果近期发表在Advanced Optical MaterialsDOI: 10.1002/adom.201600188)上。

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