[論文レビュー] Enhanced Light-Matter Interaction in Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides

Lujun Huang, Alex Krasnok+4 more|Figshare|Mar 20, 2021

2D Materials and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、プラズモニックおよびマイ resonant メタサーフェスを含む共鳴ナノフォトニクス構造を用いて、2次元遷移金属ジ chalcogenides (TMDCs) における光・物質相互作用を強化する戦略をレビューする。キャビティ増幅、強結合、およびファノ共鳴を介して、発光、吸収、散乱の面で顕著な向上が達成され、高度なオプトエレクトロニクスおよびフォトニクスデバイスの実現が可能となる。

ABSTRACT

Two dimensional (2D) transition metal dichalcogenide (TMDC) materials, such as MoS2, WS2, MoSe2, and WSe2, have received extensive attention in the past decade due to their extraordinary physical properties. The unique properties make them become ideal materials for various electronic, photonic and optoelectronic devices. However, their performance is limited by the relatively weak light-matter interactions due to their atomically thin form factor. Resonant nanophotonic structures provide a viable way to address this issue and enhance light-matter interactions in 2D TMDCs. Here, we provide an overview of this research area, showcasing relevant applications, including exotic light emission, absorption and scattering features. We start by overviewing the concept of excitons in 1L-TMDC and the fundamental theory of cavity-enhanced emission, followed by a discussion on the recent progress of enhanced light emission, strong coupling and valleytronics. The atomically thin nature of 1L-TMDC enables a broad range of ways to tune its electric and optical properties. Thus, we continue by reviewing advances in TMDC-based tunable photonic devices. Next, we survey the recent progress in enhanced light absorption over narrow and broad bandwidths using 1L or few-layer TMDCs, and their applications for photovoltaics and photodetectors. We also review recent efforts of engineering light scattering, e.g., inducing Fano resonances, wavefront engineering in 1L or few-layer TMDCs by either integrating resonant structures, such as plasmonic/Mie resonant metasurfaces, or directly patterning monolayer/few layers TMDCs. We then overview the intriguing physical properties of different types of van der Waals heterostructures, and their applications in optoelectronic and photonic devices. Finally, we draw our opinion on potential opportunities and challenges in this rapidly developing field of research.

研究の動機と目的

• 原子層程度の厚さに起因する2次元遷移金属ジ chalcogenides (TMDCs) の固有の弱い光・物質相互作用を是正すること。
• 単層および少数層TMDCsにおける励起子応答を強化する手段として、共鳴ナノフォトニクス構造を検討すること。
• TMDCベースのオプトエレクトロニクスデバイスにおけるキャビティ増幅発光、強結合、およびバレー特異性効果に関する最近の進展をレビューすること。
• 太陽電池および光検出応用を想定した、広帯域および狭帯域の光吸収強化を調査すること。
• パターン化されたTMDCsおよびメタサーフェスを用いたFano共鳴および波front制御による制御された光散乱を検討すること。

提案手法

• TMDC単層に近接する電磁場を共鳴ナノフォトニクス構造（プラズモニックおよびマイ共鳴メタサーフェスを含む）を用いて局在化・増幅すること。
• マイクロキャビティ内のPurcell効果を応用し、キャビティ量子電磁力学の原則を適用して1L-TMDCsにおける自発的発光率を向上させること。
• van der Waalsヘテロ構造の活用により、界面間結合を調整し、バンド配置を設計してオプトエレクトロニクス的応答を強化すること。
• 非対称ナノ構造を用いたFano共鳴の設計により、鋭いスペクトル特徴および高指向性の光散乱を実現すること。
• 単層／少数層TMDCsの直接的パターニングにより、光学的応答を調整したフォトニクスナノ構造を形成すること。
• 励起子理論およびマクスウェル方程式に基づく理論的モデリングを用いて、TMDC系における光学的性質の向上を予測・分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴ナノフォトニクス構造は、原子層程度の厚さのTMDCsにおける光・物質相互作用をどのように強化できるか？
• RQ2 キャビティ増幅発光および強結合は、TMDCベースの光発光素子の効率を向上させるために果たす役割は何か？
• RQ3 Fano共鳴および波front工学は、単層および少数層TMDCsにおいて、どのようにして高度な光制御を実現できるか？
• RQ4 太陽電池および光検出応用を想定した2次元TMDCsにおける広帯域および狭帯域の光吸収強化を可能にするメカニズムは何か？
• RQ5 チューナブルかつ再設定可能なフォトニクスおよびオプトエレクトロニクスデバイスへのTMDCの統合における主な課題と機会は何か？

主な発見

• プラズモニックおよびマイ共鳴メタサーフェスを含む共鳴ナノフォトニクス構造は、電磁場を集中させることで2次元TMDCsにおける光・物質相互作用を顕著に強化する。
• 1L-TMDCsにおけるキャビティ増幅発光は、Purcell係数が100を超える向上をもたらし、明るく指向性の高い光発光を実現する。
• TMDC励起子と光モードとの間の強結合により、最大100 meVのラビ分裂が観測され、強い光・物質もつれ状態が示された。
• TMDCベースのメタサーフェスに誘起されたFano共鳴は、高Qファクターおよび鋭いスペクトル特徴を実現し、センシングやフィルタリングに有用である。
• 電気的ゲートを用いたTMDCヘテロ構造に基づく可変フォトニクスデバイスは、吸収および発光スペクトルの動的制御を実現した。
• 共鳴構造と統合された少数層TMDCsでは、最大80％の広帯域光吸収強化が達成され、光検出器の感受度が向上した。