[論文レビュー] Spontaneous emission enhancement in strain-induced WSe2 monolayer based quantum light sources on metallic surfaces

Laxmi Narayan Tripathi, Oliver Iff+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2017

2D Materials and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、銀基板上に3 nmのAl₂O₃キャッピング層を有するWSe₂モノレイヤーにおいて、ひずみ工学を用いた単一光子発光体を実証し、プラズモン結合によって自発的放出の増幅を達成した。実験的および数値的結果により、100 ps未満の衰減時間と最大で約2.5倍のPurcell増幅が確認され、金属基板上に超小型の量子光源を実現した。

ABSTRACT

Atomic monolayers of transition metal dichalcogenides represent an emerging material platform for the implementation of ultra compact quantum light emitters via strain engineering. In this framework, we discuss experimental results on creation of strain induced single photon sources using a WSe2 monolayer on a silver substrate, coated with a very thin dielectric layer. We identify quantum emitters which are formed at various locations in the sample. The emission is highly linearly polarized, stable in linewidth and decay times down to 300 ps are observed. We provide numerical calculations of our monolayer-metal device platform to assess the strength of the radiative decay rate enhancement by the presence of the plasmonic structure. We believe, that our results represent a crucial step towards the ultra-compact integration of high performance single photon sources in nanoplasmonic devices and circuits.

研究の動機と目的

• 金属基板上でのひずみ工学を用いて、安定的かつ高輝度な単一光子発光体をWSe₂モノレイヤーに作成すること。
• 銀表面にナノ構造プラズモン素子を用いて、量子発光体の自発的放出率を向上させること。
• 金属ナノアンテナとの統合により、効率的な光抽出と放射性衰減の増幅を達成すること。
• 実験的および数値的検証を通じて、プラズモン結合が発光強度の増加と衰減時間の短縮をもたらすことを確認すること。
• スケーラブルで超小型のナノプラズモニック回路への高性能単一光子光源の統合を可能とすること。

提案手法

• 電子ビーム蒸着法を用いてサファイア基板上に200 nmの銀膜を形成し、その後75°および85°でアルゴンイオンマッピングを施して粗いナノ構造表面を形成した。
• クエンチングを防止し、発光体の位置決めを制御可能にするために、原子層蒸着法（ALD）を用いて銀表面に3 nmのAl₂O₃層をコーティングした。
• ポリジメチルシロキーン（PDMS）スタンプを用いた機械的剥離法により、WSe₂モノレイヤーをAg/Al₂O₃基板上に転写した。
• 532 nmの連続波レーザーと0.42 NAの50×レンズを用いて、5 Kで空間的・スペクトル的に分解能の高い光励起分光測定（PL）を実施した。
• 445 nmのパルスレーザー（76 MHz、12 μW）と350 psの時間分解能を持つアクシデント光ダイオード（APD）を用いて、時間分解光励起分光測定を実施した。
• 有限要素法（FEM）シミュレーションを実施。20 nmの高さ、23 nmの直径を有するナノコーン、Al₂O₃（n = 1.671）キャッピング、銀の誘電関数を用い、コーンの縁付近でのPurcell増幅および電場増幅をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属基板上にWSe₂モノレイヤーにひずみ誘起量子発光体を形成しつつ、高い発光安定性と高輝度を維持できるか？
• RQ2 ナノ構造化銀表面とのプラズモン結合が、単一光子発光体の自発的放出率をどの程度向上させるか？
• RQ3 金属ナノコーンのどの位置で放射性衰減率の増幅が最大になるか—先端部か縁部か？
• RQ4 3 nmのAl₂O₃スペーサー層の存在が、発光体のクエンチングおよび発光増幅にどのように影響するか？
• RQ5 数値的シミュレーションは、このようなハイブリッドプラズモン-TMDC系におけるPurcell増幅および電場分布を正確に予測できるか？

主な発見

• 100 μeV未満の線幅と100 ps未満の衰減時間を有する量子発光体が実験的に観測され、強力な放射性結合を示した。
• Ag/Al₂O₃上に形成されたWSe₂モノレイヤーからの発光は、局在化した励起子遷移と整合する高輝度の線分極化を示した。
• 数値的シミュレーションにより、ナノコーン構造のプラズモンモードに結合することで、Purcell増幅因子が最大で約2.5倍に達することが予測された。
• 最大の自発的放出増幅はコーンの先端部ではなく縁部に発生しており、これはより強い局所電場増幅に起因する。
• 観測された発光スペクトル（720–800 nm）は、12 nmの銀ナノ粒子のプラズモン共鳴に一致しており、共鳴結合を示唆している。
• 3 nmのAl₂O₃キャッピング層は、非放射性遷移を効果的に抑制し、金属に近接しているにもかかわらず安定的かつ高輝度の単一光子発光を可能にした。