[論文レビュー] Electrically controllable router of interlayer excitons

Yuanda Liu, Kostya S. Novoselov+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2019

2D Materials and Applications参考文献 33被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、材料の強い電気双極子モーメントを活用して横方向の電場によって励起子の流れを制御することで、二層WSe2におけるインターレイヤー励起子の電気的にチューナブルなルーターを実証している。デバイスは長寿命で非放射的損失が小さい励起子の正確なルーティングを実現し、次世代の光エレクトロニクス向けにスケーラブルで自然に積層されたプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Optoelectronic devices which allow rerouting, modulation and detection of the optical signals would be extremely beneficial for telecommunication technology. One of the most promising platforms for such devices are excitonic devices, as they offer very efficient coupling to light. Of especial importance are those based on indirect excitons, because of their long lifetime. Here we demonstrate excitonic transistor and router based on bilayer of WSe2. Due to their strong dipole moment, excitons in bilayer WSe2 can be controlled by transverse electric field. At the same time, unlike indirect excitons in artificially stacked heterostructures based on transition metal dichalcogenides - naturally stacked bilayer offers long exciton lifetime, smaller non-radiative losses, and are much simpler in fabrication.

研究の動機と目的

• 統合光エレクトロニクス回路向けに再構成可能で電気的に制御可能な励起子ルーティングデバイスの開発。
• 人工的ヘテロ構造の制限を克服するため、より長い励起子寿命を実現する自然に積層された二層WSe2を用いる。
• 複雑なプロセスを要せず、効率的かつ電気的にチューナブルにインターレイヤー励起子を操作可能にする。
• 非放射的損失を最小限に抑えた実用的でスケーラブルな励起子信号処理プラットフォームの実証。

提案手法

• 自然に積層されたファンデルワールスヘテロ構造を有する二層WSe2を用い、インターレイヤー励起子を捕捉する。
• 強い電気双極子モーメントを有するインターレイヤー励起子の空間的分布と流れを、横方向の電場によって制御する。
• トランジスタ型のジオメトリを設計し、電気的に励起子を注入し、デバイス全体で励起子をルーティングする。
• 電気ゲーティングによりエネルギー準位を変調し、励起子を出力チャネル間で制御する。
• 光学的検出を用いて励起子ルーティング効率をマップおよび検証する。
• WSe2の固有の性質を活用し、非放射的再結合を最小限に抑え、長寿命な励起子を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二層WSe2におけるインターレイヤー励起子は、高い効率とチューナビリティで電気的にルーティング可能か？
• RQ2 自然に積層されたWSe2は、人工的に積層されたヘテロ構造と比較して、励起子寿命や損失機構においてどのように異なるか？
• RQ3 二層WSe2における横方向電場を用いた励起子の流れの最大制御範囲は何か？
• RQ4 1つのデバイスが同時に励起子の注入、変調、ルーティングを実行可能か？
• RQ5 インターレイヤー励起子の電気双極子モーメントが電気的制御を可能にする役割は何か？

主な発見

• 自然に積層された二層WSe2プラットフォームは、非放射的再結合損失を低減することで、長寿命な励起子を示す。
• 二層WSe2におけるインターレイヤー励起子は、大きな電気双極子モーメントのおかげで横方向電場に対して強く応答する。
• 電場のチューニングにより、複数の出力チャネル間での励起子ルーティングを正確に制御可能である。
• デバイスは光学的クロストークが最小限に抑えられた効率的で電気的に制御可能な励起子ルーティングを実現している。
• 複雑なヘテロ構造のプロセスを回避し、励起子デバイスへのより簡単でスケーラブルな道筋を提供する。
• システムは高い励起子コherenと低損失を維持しており、オンチップ光エレクトロニクス信号処理への応用が可能である。