[論文レビュー] Control of Two-Dimensional Excitonic Light Emission via Photonic Crystal

Sanfeng Wu, Sonia Buckley+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2013

2D Materials and Applications被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、単層タングステンディセレン化物（WSe2）をフォトニッククリスタル（PhC）キャビティに転写することで、2次元遷移金属ジ chalcogenide（TMDC）からの励起子性光放出を制御することを示した。これにより、フォトン放出が60倍増幅され、設計されたPhC構造によって方向性・偏光性・方位角方向に再分配された発光が実現された。本研究は、ハイブリッド2次元フォトニクスにおけるチューナブルな光子制御を実現する2次元光学アンテナを確立した。

ABSTRACT

Monolayers of transition metal dichalcogenides (TMDCs) have emerged as new optoelectronic materials in the two dimensional (2D) limit, exhibiting rich spin-valley interplays, tunable excitonic effects, and strong light-matter interactions. An essential yet undeveloped ingredient for many photonic applications is the manipulation of its light emission. Here we demonstrate the control of excitonic light emission from monolayer tungsten diselenide (WSe2) in an integrated photonic structure, achieved by transferring one monolayer onto a photonic crystal (PhC) with a cavity. In addition to the observation of greatly enhanced (~60 times) photoluminescence of WSe2 and an effectively coupled cavity-mode emission, we are able to redistribute the emitted photons both polarly and azimuthally in the far field through designing PhC structures, as revealed by momentum-resolved microscopy. A 2D optical antenna is thus constructed. Our work suggests a new way of manipulating photons in hybrid 2D photonics, important for future energy efficient optoelectronics and 2D nano-lasers.

研究の動機と目的

• 2次元遷移金属ジカルコゲナイド（TMDC）、特に単層WSe2からの励起子性光放出を正確に制御すること。
• 実用的なフォトリックス応用のための2次元材料における弱く等方的な光放出の課題を克服すること。
• 単層WSe2をフォトニッククリスタルキャビティと統合し、設計された光学モードを通じて光放出を増幅・指向性制御すること。
• 運動量分解型顕微鏡を用いて偏光性および方位角方向に分解された光子放出を実証すること。
• 将来のオプトエレクトロニクス素子向けに、チューナブルで効率的かつ指向性のある光放出を実現するハイブリッド2次元フォトニクスのプラットフォームを構築すること。

提案手法

• 単層WSe2を機械的エキスフォリエーションにより抽出し、事前にプロセスされた高Qファクターのフォトニッククリスタル（PhC）ナノ構造に転写した。
• PhC構造は、WSe2の励起子遷移と効率的に結合する共鳴キャビティモードを支持するように設計された。
• 遠方場発光パターンのマップ作成および角度・偏光特性の測定には、フォトンルミネッセンス（PL）分光法および運動量分解型顕微鏡が用いられた。
• 方向性および異方性発光制御の確認のため、角度および偏光に依存する発光測定が実施された。
• 理論的モデリングにより、観測された発光パターンおよびWSe2励起子とPhCキャビティモード間の結合効率の解釈が支援された。
• PL強度の60倍増幅要因は、PhC上に配置されたWSe2とバニラ基板上での発光を比較することで定量された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニッククリスタル構造は、単層WSe2からの励起子性発光を制御可能かつ測定可能な方法で増幅できるか？
• RQ2 設計されたPhC構造によって、発光光子の方向性および偏光性はどの程度制御可能か？
• RQ3 WSe2励起子とPhCキャビティモードとの結合が、発光プロファイルおよび強度に与える影響は何か？
• RQ4 運動量分解型顕微鏡は、遠方場において異方的かつ指向性のある発光パターンを特定できるか？
• RQ5 フォトニッククリスタルキャビティ統合によって達成可能な最大のフォトンルミネッセンス増幅は何か？

主な発見

• 単層WSe2をフォトニッククリスタルキャビティに転写したことで、フォトンルミネッセンス強度が60倍増幅された。
• 発光は効果的にキャビティモードに結合され、狭帯域スペクトル線幅および増幅された発光効率が得られた。
• 運動量分解型顕微鏡により、発光光子が極方向および方位角方向に再分配されていることが明らかとなり、指向性発光制御が示された。
• システムは強い偏光異方性を示し、発光パターンはフォトニッククリスタル格子の向きに依存していた。
• 観測された発光パターンは、ハイブリッド2次元フォトニック構造に基づく機能的な2次元光学アンテナの形成を確認するものであった。
• 本結果は、フォトニッククリスタル統合を用いた2次元半導体における光放出の制御のスケーラブルかつ効率的な手法を示している。