精彩论文 | 能谷可调的二硫化钨-光栅强耦合器件瞬态光谱分析

论文导读

      单层过渡金属硫化物（TMDCs）因其独特的空间反演对称破缺结构和优异的光电性能是谷电子学器件中的优选材料。然而由于谷间散射的存在，在室温下如何保持及调控单层TMDCs的能谷选择特性也是能谷电子学领域的一个挑战。2022年2月11日，吉林大学王海副教授、王海宇教授、周强教授、以及清华大学孙洪波教授团队在PhotoniX上在线发表论文“Ultrafast Modulation of Valley Dynamics in Multiple WS2?Ag Gratings Strong Coupling System”，此工作通过分别将单层WS₂与线性、圆环和螺旋银光栅结合，构建了多种WS₂-光栅强耦合体系。在室温下实现了对单层WS₂器件的线偏振和圆偏振调制，特别是利用螺旋光栅实现了对单层WS₂两个能谷的非对称调控。并通过飞秒瞬态吸收技术揭示了多种WS₂-光栅强耦合体系中的能谷调控机制。单层TMDC-SPPs多种偏振强耦合器件的动力学研究为能谷电子学器件的性能提升提供了有利的参考。

研究背景

      随着光电器件的蓬勃发展，单位面积上集成的光电元件越来越密集。著名的摩尔定律指出每隔十八个月电子芯片上集成的元器件数目会增加一倍，电子器件的性能也将提升一倍，半导体集成电路中的晶体管迅速逼近纳米尺度。传统的利用电荷来传递信息的光电器件量子尺寸效应越来越明显，经典定律逐渐失效，传统的硅工业将要到达发展的极限，新材料的寻找和新体系结构的开发成为热点。而拓展电子的自旋自由度来作为信息存储和传输的载体可以有效地解决这些问题，自旋电子学也快速发展起来。具有空间反演对称破缺结构的过渡金属硫化物是自旋电子学器件的优选材料。然而由于谷间散射的存在，在室温下如何保持及调控单层TMDCs的能谷选择特性也是能谷电子学领域的一个挑战。

技术突破

      本工作分别将单层WS₂与线性、圆形和螺旋银光栅结合，构建了WS₂-银光栅多种强耦合体系。在室温下实现了对单层WS₂器件的线偏振和圆偏振调制。在线性光栅的强耦合调制下，单层WS₂实现了较强的线偏振荧光发射（图1a）。WS₂-螺旋光栅强耦合器件更是在室温下测到了圆偏振荧光极化现象（图1b）。而且WS₂-螺旋光栅强耦合器件的圆偏振荧光极化率在左右旋光激发下有明显差异，说明将单层TMDCs与手性结构强耦合可以实现对单层TMDCs的K与-K能谷的非对称调制。手性螺旋光栅对单层WS₂的K与-K能谷的非对称调制机制如图1c所示，手性螺旋光栅对左右旋光的聚焦效果的不同导致了其对K与-K能谷耦合效果的差异。

      为了进一步探究多种银光栅对单层WS₂强耦合调控的机制，本工作重点测量了WS₂-光栅多种强耦合器件的瞬态吸收光谱。在WS₂-光栅多种强耦合器件的瞬态吸收光谱中，可以很明显地观测到两个强耦合导致漂白峰，有效地确定了WS₂-光栅强耦合体系的形成。WS₂-线性光栅强耦合系统的瞬态吸收光谱展现了很强的线偏振调制，WS₂-圆环和螺旋光栅强耦合系统的瞬态吸收光谱则有明显的圆偏振极化现象。特别是WS₂-螺旋光栅强耦合器件在左旋光和右旋光激发下，瞬态吸收光谱展现出相反的行为（如图2a-b所示），且在同向探测的情况下，WS₂-螺旋光栅强耦合器件在左旋光与右旋光激发下表现出极大的差异并且一直保持，说明在螺旋光栅的调制下单层WS₂的K和-K能谷实现了非对称强耦合（如图2c所示）。WS₂-光栅多种强耦合器件的瞬态吸收光谱测量结果可以很好地解释其在稳态中测到的线偏振与圆偏振荧光发射现象。本工作首次对单层WS₂-光栅多种偏振强耦合器件的动力学进行了系统研究，可以促进能.谷电子学器件的发展。

观点评述

      本工作中构建的多种WS₂-银光栅强耦合体系在室温下实现了对单层WS₂器件的线偏振和圆偏振调制。单层WS₂与光栅强耦合后实现了线偏振和圆偏振荧光发射。且通过瞬态吸收光谱的测量，不仅有效地确定了WS₂-光栅强耦合体系的形成，还观测到了单层WS₂与线性，圆环和螺旋光栅强耦合后室温下的线偏振与圆偏振极化都能够保持。特别是WS₂-螺旋光栅强耦合器件在左旋光和右旋光激发下，谷极化表现出相反的行为。这三种WS₂-银光栅强耦合器件的相干杂化态谷动力学的表征可以为改善能谷电子学器件在室温下的性能提供有效的参考。

主要作者

      赵乐一，吉林大学物理学院博士研究生，并在吉林大学电子科学与工程学院联合培养。主要进行过渡金属硫化物强耦合体系的超快光谱研究。

      王海，吉林大学电子科学与工程学院副教授，主要从事光与物质相互作用的强耦合体系的超快光谱的研究。近年来在Advanced Functional Materials, Laser Photonics Review, photoniX等期刊发表论文30余篇，获2019年光学工程学会优秀博士论文。

       王海宇，吉林大学电子科学与工程学院教授，博士生导师，主要方向为利用超快激光光谱学的方法研究光电子、光子学相关的物理过程，具体包括：高效纳米发光材料的发光动力学研究，如聚集诱导发光、半导体及石墨烯量子点和聚合物量子点等；纳米界面的电荷分离过程，如半导体、聚合物和蛋白质等；表面等离子体元激发以及贵金属纳米结构和分子复合体系的耦合动力学的研究。围绕上述工作在Science, Advanced Materials, Angewandte Chemie-international Edition, ACS Nano, photoniX等一流杂志上以第一作者或通讯作者发表论文50余篇。获得2020年度国家自然科学奖二等奖。

       孙洪波，清华大学教授，博士生导师，教育部长江学者特聘教授，中国光学学会微纳光学专业委员会主任，国务院学位委员会学科评议组成员。入选电气电子工程师（IEEE）学会Fellow、国际光学工程学会（SPIE）Fellow、美国光学学会（OSA）Fellow，中国光学学会（COS）Fellow；任Light Science &Applications杂志执行主编（EEIC）、Optics Letters等十余个国内外杂志编委或顾问编委。研究方向为超快激光超精细特种制造。研究超快激光与物质相互作用机理，制备微光学、微电子、微机械、微流控、微光电、传感、生物和仿生结构与器件；开拓超快光谱研究方法，探索前沿光电和电光转换动力学。系列工作为我国国防与工业紧迫需求提供关键技术与解决方案。围绕上述研究内容，发表SCI论文500余篇，被SCI论文引用20000余次，H因子72；研究结果被Nature、Science和Laser Focus World等杂志专题介绍100余篇次，150余次做国际会议Plenary、Keynote和Invited报告。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。

了解PhotoniX最新动态