南京大學(xué)物理學(xué)院研究組實現(xiàn)面向光通信的二維材料異質(zhì)結(jié)中谷極化調(diào)控

　　【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)隊通過構(gòu)造雙手性超構(gòu)表面，實現(xiàn)了對二維材料異質(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。該項研究展示了手性超構(gòu)表面對二維材料異質(zhì)結(jié)中谷極化的高效調(diào)控，推動發(fā)展基于谷電子學(xué)的光通信系統(tǒng)。
 

　　單層的過渡金屬硫化物由于其空間反演對稱性的破缺以及強(qiáng)自旋-軌道耦合，導(dǎo)致其能帶中出現(xiàn)簡并但不等價的兩個谷電子態(tài)K與K'，為信息編碼與信息存儲提供了新的自由度。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程(皮秒尺度)限制了器件性能。為了解決這一問題，研究者將不同的單層過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)激子更長的谷壽命(納秒級)。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)隊創(chuàng)新性地設(shè)計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現(xiàn)方案和物理原理(見圖1(上))。該雙手性超構(gòu)表面包含： L-MS為η形金納米天線陣列，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，從而實現(xiàn)該體系中層間激子谷極化的增強(qiáng)。實驗上，他們將單層WS2/WSe2異質(zhì)結(jié)與雙手性超構(gòu)表面相集成，測量結(jié)果證實單層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(見圖1(下))。進(jìn)一步地，當(dāng)激發(fā)波長接近620納米時，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)，實現(xiàn)了基于谷極化的光信號傳輸(圖2(右))。
 

　　該工作提出并實驗證實了雙手性超構(gòu)表面對二維材料異質(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，無需借助外部電場、磁場或精細(xì)的轉(zhuǎn)角控制。實驗還證實，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)信息傳輸過程中數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，同時提升信息傳輸過程中錯誤檢測能力。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)展谷電子器件開拓出獨特途徑。
 

　　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驗測量得到的溫度為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.實驗測量得到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)的集成實現(xiàn)基于谷極化的光通信系統(tǒng)示意圖以及通信檢測結(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。該研究獲得國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金委的資助，同時得到南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理全國重點實驗室、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。