【儀表網 研發快訊】二維半導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鍵候選材料之一。由于二維半導體通過層間范德華力結合，單層二維半導體可被輕易剝離并以垂直堆疊方式構建成人工異質結構。這種二維半導體異質結構不僅能融合各層二維半導體的激子特性，還可以通過改變層間扭轉角度產生具有轉角依賴特性的新型激子態。另一方面，如何控制發光方向對半導體發光器件有重要意義。一般而言，實現定向發光需要光學諧振與發光介質在近場相互作用，進而將光輻射至遠場。然而，由于二維半導體自身缺乏光學諧振，必須依賴外部光學諧振腔與之集成。因此，目前調控激子發射方向的方案多是基于各類人工納米光子結構(如納米天線和光子晶體)與二維半導體集成。盡管這些外部光學諧振腔可通過腔內電場或倏逝場增強光與激子的相互作用，但介質材料與二維半導體的接觸界面可能會引入n型摻雜或導致缺陷輔助的非輻射復合，抑制激子發光。另外，所集成的介質材料會產生強介電屏蔽效應，顯著降低層間激子的結合能，進而嚴重抑制層間激子的發光。
針對上述科學問題，中國科學院蘇州納米所張興旺團隊提出了一種創新方案——自耦合光子晶體諧振技術。如圖1所示，通過在懸空的雙層WS2/WSe2上直接構建光子晶體結構，一方面完全消除了傳統集成中的界面接觸問題，另一方面也將材料的環境介電常數降至最低(1.0)，有效地減弱了介電屏蔽效應從而提升了激子結合能。同時，原子層級光子晶體結構所產生的導模諧振還可以增強激子發光的Purcell因子和光提取效率。另外，通過調節激發光能量，可選擇性地激發特定激子。最后，憑借其固有的角色散特性，光子晶體可根據激子發光能量，實現激子發光在能量-動量空間的分選。該方法有望應用于研究二維半導體莫爾超晶格中的激子調控。
圖1. 懸空的原子層級WS?/WSe?轉角異質光子晶體中的激子發光在能量-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 為題發表在 Science Advances 上。中國科學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研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持，同時也得到了中國科學院蘇州納米所納米真空互聯實驗站(Nano-X)、納米加工平臺的支持。
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