基于单层过渡金属二硫属化合物的可控Fano共振和等离子体激元-二维激子耦合

qixi

2010年，诺贝尔物理奖颁发给了在英国的物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov，以表彰他们对石墨烯研究的贡献。时至今日，以石墨烯为代表的二维材料依旧是凝聚态物理和材料科学与工程的研究热点。在众多层状二维材料中，单层过渡金属二硫属化合物（TMDCs）由于其优异的电子和光电子性能而受到了极大关注。研究显示其在光学探测器件，发光二极管（LED），化学和生物医学传感器和低维晶体管等许多领域中有广泛的潜在应用。但是其原子级的厚度限制单层TMDCs与光的相互作用。研究表明单层TMDCs的最大光吸收率在10%左右，因此低的光吸收率限制其在光学器件的中应用。

近年来，由于其能捕获并聚集光到纳米尺度而实现局部的高电磁场增强，等离子体激元纳米结构（如贵金属纳米颗粒）已经被广泛用于增强光与低维半导体材料（如量子点和量子线）的相互作用。近日，德州大学奥斯汀分校的郑跃兵教授所带领的研究团队利用单层TMDCs中的二维激子与金纳米三角形中的等离子体激元的相互作用实现了可调控Fano共振和等离子体激元-激子耦合。等离子体激元-激子相互作用的可调性得益于单层TMDCs的低介电屏蔽。低介电屏蔽与其极小的几何尺寸使得单层TMDCs具有高激子结合能，从而使其易受周围环境的静态介电常数的变化的影响。研究证明随着周围介质的介电常数的增加（例如周围介质从空气变为水），激子结合能急剧减少进而导致激子偶极矩的增加。激子偶极矩的增加使得激子在等离子体激元-激子耦合中的作用增强从而实现光谱线型从对称的洛伦兹线型到非对称Fano线型的转换。同时增大的激子偶极矩增强了激子与等离子体激元的库伦相互作用从而实现了等离子体激元与激子的弱耦合到强耦合的转换并获得了室温下80-100 meV的耦合强度。

本文的第一作者王明松认为可调的等离子体激元与二维激子相互作用不但可以用于推动共振腔量子电动力学和非线性光学的研究，也利于单光子源，可控等离子体激元器件和低阈值电磁极化子激光的发展。此外，单层TMDCs的极小的几何尺寸和优异的机械性能也有助于光电子器件的小型化和可穿戴化。

相关论文已发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201705779)上，并于当期Frontispiece做简要介绍。