【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】南京大學(xué)物理學(xué)院彭茹雯教授和王牧教授研究組在手性超構(gòu)表面調(diào)控二維材料異質(zhì)結(jié)谷極化研究中取得重要進(jìn)展。該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)造雙手性超構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維材料異質(zhì)結(jié)中層間激子谷極化的高效調(diào)控，并創(chuàng)新性地將二維材料中的谷極化應(yīng)用于光通信領(lǐng)域。該項(xiàng)研究展示了手性超構(gòu)表面對(duì)二維材料異質(zhì)結(jié)中谷極化的高效調(diào)控，推動(dòng)發(fā)展基于谷電子學(xué)的光通信系統(tǒng)。
 

　　單層的過(guò)渡金屬硫化物由于其空間反演對(duì)稱(chēng)性的破缺以及強(qiáng)自旋-軌道耦合，導(dǎo)致其能帶中出現(xiàn)簡(jiǎn)并但不等價(jià)的兩個(gè)谷電子態(tài)K與K'，為信息編碼與信息存儲(chǔ)提供了新的自由度。此前研究已表明，在單層二硫化鉬、二硒化鉬、二硫化鎢和二硒化鎢中，層內(nèi)激子展現(xiàn)出谷極化的光致發(fā)光。然而，層內(nèi)激子超快的谷退極化過(guò)程(皮秒尺度)限制了器件性能。為了解決這一問(wèn)題，研究者將不同的單層過(guò)渡金屬硫化物堆疊成范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)，所產(chǎn)生的層間激子展現(xiàn)出比層內(nèi)激子更長(zhǎng)的谷壽命(納秒級(jí))。盡管如此，層間激子的谷極化度仍然較低，因此提升異質(zhì)結(jié)材料中層間激子的谷極化度很受人們關(guān)注。
 

　　彭茹雯教授和王牧教授研究組長(zhǎng)期致力于光與微納結(jié)構(gòu)相互作用研究。最近，該研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并制備出一種雙手性超構(gòu)表面，并將其與單層WS2/WSe2異質(zhì)結(jié)相集成，對(duì)異質(zhì)結(jié)中層間激子的谷極化進(jìn)行了高效調(diào)控。他們首先給出利用雙手性超構(gòu)表面增強(qiáng)二維材料異質(zhì)結(jié)中層間激子谷極化的實(shí)現(xiàn)方案和物理原理(見(jiàn)圖1(上))。該雙手性超構(gòu)表面包含： L-MS為η形金納米天線(xiàn)陣列，R-MS為其鏡像陣列，中間部分為分隔區(qū)。由于手性珀塞爾效應(yīng)，L-MS能夠增強(qiáng)σ−偶極子的自發(fā)輻射率，而R-MS則能增強(qiáng)σ+偶極子的自發(fā)輻射率，從而實(shí)現(xiàn)該體系中層間激子谷極化的增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)上，他們將單層WS2/WSe2異質(zhì)結(jié)與雙手性超構(gòu)表面相集成，測(cè)量結(jié)果證實(shí)單層WS2/WSe2異質(zhì)結(jié)集成雙手性超構(gòu)表面以后，層間激子的谷極化度顯著提高(見(jiàn)圖1(下))。進(jìn)一步地，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)接近620納米時(shí)，在σ−激發(fā)光下，異質(zhì)結(jié)中的層間激子的圓二色性從13%增加到38%，在σ+激發(fā)光下，WS2/WSe2異質(zhì)結(jié)中的層間激子的圓二色性的絕對(duì)值從11%增加到32% (圖2(左))。在此基礎(chǔ)上，他們將該雙手性超構(gòu)表面與二維材料異質(zhì)結(jié)相集成的器件用于光通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于谷極化的光信號(hào)傳輸(圖2(右))。
 

　　該工作提出并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了雙手性超構(gòu)表面對(duì)二維材料異質(zhì)結(jié)中層間激子谷極化的顯著調(diào)控能力。研究表明，通過(guò)手性珀塞爾效應(yīng)，雙手性超構(gòu)表面可以增強(qiáng)和翻轉(zhuǎn)層間激子谷極化，無(wú)需借助外部電場(chǎng)、磁場(chǎng)或精細(xì)的轉(zhuǎn)角控制。實(shí)驗(yàn)還證實(shí)，雙手性超構(gòu)表面與二維材料異質(zhì)結(jié)相集成的器件可用于光學(xué)信息傳輸，實(shí)現(xiàn)基于谷極化的直接傳輸與字節(jié)反轉(zhuǎn)傳輸兩種模式。該集成器件體積小、制備工藝兼容性好，能夠顯著增強(qiáng)信息傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，同時(shí)提升信息傳輸過(guò)程中錯(cuò)誤檢測(cè)能力。該工作將手性超構(gòu)表面與二維材料異質(zhì)結(jié)體系集成，為發(fā)展谷電子器件開(kāi)拓出獨(dú)特途徑。
 

　　圖1.構(gòu)建雙手性超構(gòu)表面增強(qiáng)二維材料異質(zhì)結(jié)中層間激子谷極化的實(shí)現(xiàn)方案示意(上圖)；雙手性超構(gòu)表面的掃描電子顯微鏡照片以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的溫度為298K和77K情形下集成了雙手性超構(gòu)表面的WS2/WSe2異質(zhì)結(jié)樣品的光致發(fā)光譜和圓二色性譜(下圖)。
 

　　圖2.實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到77K溫度下集成了雙手性超構(gòu)表面的WS2/WSe2異質(zhì)結(jié)樣品的光致發(fā)光激發(fā)譜及圓二色性譜(左圖)； 利用雙手性超構(gòu)表面與WS2/WSe2異質(zhì)結(jié)的集成實(shí)現(xiàn)基于谷極化的光通信系統(tǒng)示意圖以及通信檢測(cè)結(jié)果(右圖)。
 

　　相關(guān)成果以題為 “Tailoring valley polarization of interlayer excitons in van der Waals heterostructure toward optical communication” 發(fā)表在 Nano Letters。該項(xiàng)工作由南京大學(xué)彭茹雯和王牧研究組完成。南京大學(xué)物理學(xué)院博士生朱毅是該論文的第一作者，碩士生鄒孔亮、祁冬祥博士是該論文的共同第一作者，已畢業(yè)的何捷博士參與了該工作，彭茹雯教授和王牧教授是該論文的通訊作者。該研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助，同時(shí)得到南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省物理科學(xué)研究中心等支持。