蘇州納米所張興旺團隊AM:二維半導(dǎo)體自旋-軌道鎖定渦旋光源
在集成光子器件領(lǐng)域,二維半導(dǎo)體材料由于具有獨特的激子發(fā)光特性、優(yōu)異的機械性能、高導(dǎo)熱率和載流子遷移率等,在可集成光源器件上展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。尤為重要的是單層二維半導(dǎo)體具有原子級的平整度且沒有懸掛鍵,因此易于與其他材料以范德華力實現(xiàn)異質(zhì)集成,有效地避免了晶格失配問題,為高集成度、高性能的光源器件設(shè)計提供了新平臺。然而,當(dāng)二維半導(dǎo)體材料的厚度降至原子級時,材料與光場的相互作用很弱,發(fā)光效率受限。另外精確控制二維半導(dǎo)體中激子發(fā)光的波前仍面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)。因此,克服原子級厚度的二維半導(dǎo)體材料發(fā)光效率受限的問題,并精確控制其中激子發(fā)光的波前,是實現(xiàn)基于二維半導(dǎo)體的波前調(diào)制的光源器件的關(guān)鍵科學(xué)問題。
針對上述科學(xué)問題,中國科學(xué)院蘇州納米所張興旺團隊報道了單層二硫化鎢(Tungsten Disulfide,WS2)與氮化硅光子晶體平板的異質(zhì)集成的渦旋光源器件(圖1)。該方案不僅利用光子晶體平板中的對稱保護的連續(xù)域的束縛態(tài)(Bound States in the Continuum,BIC)能帶具有的高品質(zhì)因子的光學(xué)諧振,顯著提高了單層二硫化鎢的發(fā)光效率,還巧妙地運用光子晶體能帶結(jié)構(gòu)的拓撲性質(zhì)實現(xiàn)渦旋的相位調(diào)制。另外,光子晶體結(jié)構(gòu)無器件中心設(shè)計巧妙地規(guī)避了對準(zhǔn)偏差導(dǎo)致的問題。該工作在理論和實驗上證明了,通過激子與氮化硅光子晶體中BIC點附近的模式近場耦合,成功地調(diào)制了單層二硫化鎢激子發(fā)光的波前相位,并且受調(diào)制的螺旋相位與自旋鎖定,實現(xiàn)了激子發(fā)射的自旋—軌道角動量鎖定的渦旋光源,為二維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)光光源器件提供了全新的理論與實踐框架。

圖1. 基于單層二硫化鎢與氮化硅光子晶體異質(zhì)集成的自旋—軌道鎖定渦旋光源原理示意圖
該工作以Spin-locked WS2 vortex emission via photonic crystal bound states in the continuum為題發(fā)表在Advanced Materials上。中國科學(xué)院蘇州納米所博士后夏夢為論文第一作者,張興旺研究員為論文通訊作者,該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、蘇州市科學(xué)技術(shù)局、江蘇省卓越博士后計劃等項目的支持,同時也得到了中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站(Nano-X)、納米加工平臺的支持。
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