常溫下對谷極化發(fā)光的高效調(diào)控
過渡金屬硫化物(TMDCs)具有獨特的谷自旋自由度可用于信息和傳感等領(lǐng)域,是研發(fā)谷電子學(xué)微納光電器件的重要材料。近年來,利用金屬微納結(jié)構(gòu)(納米線、納米光柵、超表面等)調(diào)控TMDCs材料的谷偏振發(fā)射特性,實現(xiàn)了左旋/右旋光的空間方向選擇性傳播。然而,這些表面波導(dǎo)型微納結(jié)構(gòu)往往尺寸較大(>1μm2),難以滿足微型化和高度集成的器件設(shè)計需求。基于自上而下制備的納米結(jié)構(gòu)對比濕法生長的,通常其表面粗糙度大且品質(zhì)因子低,因而要求在低溫度環(huán)境下才能展現(xiàn)調(diào)制效果。獲得常溫下高效調(diào)控TMDCs谷偏振發(fā)射特性的微納結(jié)構(gòu)器件成為當(dāng)前備受關(guān)注的研究熱點之一。近期工作中,北京大學(xué)極端光學(xué)團(tuán)隊利用掃描探針操控組裝納米顆粒,形成復(fù)合雜化納米結(jié)構(gòu)體,先后實現(xiàn)了調(diào)控納米顆粒散射光和熒光,達(dá)到單向性發(fā)射 [Laser & Photon. Rev. 9, 530(2015);10, 647 (2016)]。在最新的工作中,課題組將探針微納操控方法引入到手性特征微納結(jié)構(gòu)體系研究中,實現(xiàn)超小型手性光學(xué)天線高效調(diào)制谷極化發(fā)光特性。 實驗上,研究團(tuán)隊利用掃描探針顯微鏡的針尖操控金納米棒,組裝制備出一種具有手征特性的立體空間V型天線(~0.02μm2)【圖1(A)】。其中,將單層二硫化鉬夾在天線中間,在納米棒交疊區(qū)形成局域表面等離激元熱點區(qū),可顯著增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用,熒光強(qiáng)度增強(qiáng)約3個量級。單層二硫化鉬在天線近場耦合和遠(yuǎn)場干涉等作用下,其遠(yuǎn)場輻射方向從各向同性被調(diào)制成單向性發(fā)射【圖1(B)】;同時,由于天線的手性耦合特性使得TMDCs的熒光谷偏振度從18%提高到47%【圖1(C)】。模擬計算表明,天線對于谷熒光的偏振度調(diào)控,由Purcell效應(yīng)、局域模式耦合以及遠(yuǎn)場干涉效應(yīng)共同決定。研究人員還利用探針操控的靈活性,通過原位改變兩個金納米棒的夾角和相對位置,獲得具有左旋、右旋手征特性強(qiáng)弱不同的系列V型天線。實驗測量結(jié)果均與模擬計算的預(yù)期相一致,有力地支持了該手性天線調(diào)控性能的有效性和高效性,這為開發(fā)谷光電子微納器件奠定了基礎(chǔ)。此外,研究人員還發(fā)現(xiàn)手性光學(xué)天線的量子效率依賴于量子發(fā)射體的手性,該發(fā)現(xiàn)為手性結(jié)構(gòu)調(diào)控輻射場的相關(guān)研究新方向提供了可能性。
北京大學(xué)
2021-04-11