[論文レビュー] Strong exciton-plasmon coupling in MoS2 coupled with plasmonic lattice

Wenjing Liu, Bumsu Lee+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2015

Advanced biosensing and bioanalysis techniquesBiochemistry, Genetics and Molecular Biology被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、銀ナノディスクアレイプラズモン格子と結合したモノレイヤーMoS2において、強力な励起子-プラズモン結合を実証した。77 Kで最大58 meVの結合強度を達成し、室温でもその強度を維持した。結合は、MoS2励起子、局所的表面プラズモン共鳴（LSPR）、および格子共鳴のハイブリダイゼーションに起因し、プラズモン格子の幾何学的設計によってチューナブルな極子的性質を実現した。

ABSTRACT

We demonstrate strong exciton-plasmon coupling in silver nanodisk arrays integrated with monolayer MoS2 via angle-resolved reflectance microscopy spectra of the coupled system. Strong exciton-plasmon coupling is observed with the exciton-plasmon coupling strength up to 58 meV at 77 K, which also survives at room temperature. The strong coupling involves three types of resonances: MoS2 excitons, localized surface plasmon resonances (LSPRs) of individual silver nanodisks and plasmonic lattice resonances of the nanodisk array. We show that the exciton-plasmon coupling strength, polariton composition and dispersion can be effectively engineered by tuning the geometry of the plasmonic lattice, which makes the system promising for realizing novel two-dimensional plasmonic polaritonic devices.

研究の動機と目的

• モノレイヤーMoS2内の励起子と構造化された銀ナノディスクアレイ内のプラズモンモードとの強力な結合を達成すること。
• MoS2励起子、局所的表面プラズモン共鳴（LSPR）、およびプラズモン格子共鳴の3つの共鳴モードの相互作用を調査すること。
• プラズモン格子の幾何学的設計によって、結合強度、極子組成、分散をチューニングできることを示すこと。
• 強化された光-物質相互作用を実現する新しい2次元プラズモン極子的デバイスの設計を可能とすること。

提案手法

• 角度依存反射率顕微鏡を用いて、MoS2-プラズモン格子ヘテロ構造の光学的応答を測定した。
• モノレイヤーMoS2を機械的剥離法により作製し、周期的銀ナノディスクアレイ上に転写した。
• 電子ビームリソグラフィーと金属蒸着を用いて、周期性と形状を調整可能なナノディスクアレイをフォトリソグラフィーで作製した。
• 反射率スペクトルを、角度および温度（77 Kおよび室温）を変化させながら測定し、真空中のラビ分裂と結合強度を同定した。
• 理論的モデリングを用いて、3つの共鳴モード（MoS2励起子、個々のナノディスクのLSPR、集団的格子共鳴）を特定・割り当てた。
• ナノディスクのサイズ、間隔、格子周期性といった幾何学的パrameterを系統的に変化させ、結合強度と極子分散をチューニングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元のMoS2-プラズモン格子ヘテロ構造において、強力な励起子-プラズモン結合を達成できるか？
• RQ2 個々のLSPR、集団的格子共鳴、MoS2励起子が観察された結合に果たす寄与は何か？
• RQ3 プラズモン格子の幾何学的チューニングによって、結合強度および極子分散をどの程度制御できるか？
• RQ4 室温でも強力な結合が維持されるか。実用的デバイス運用に適しているか？
• RQ5 3つの共鳴モード（励起子、LSPR、格子共鳴）がどのようにハイブリダイズして極子的状態を形成するか？

主な発見

• 77 Kで最大58 meVの結合強度を示す強力な励起子-プラズモン結合が実験的に観測され、反射率スペクトルにおける真空中のラビ分裂で裏付けられた。
• 結合強度は室温でも顕著に残り、実用的応用に向けた耐久性を示した。
• MoS2励起子、個々のナノディスクのLSPR、集団的格子共鳴の3つの明確な共鳴モードが特定され、それらが極子的状態にハイブリダイズしていることが示された。
• ナノディスクのサイズやアレイ周期性を変化させることで、極子分散と組成を制御的にチューニングできた。
• 角度依存測定により明確な反交叉行動が観測され、ハイブリダイズされた励起子-プラズモン極子の形成が確認された。
• 本系は、2次元プラットフォーム上でチューナブルで強力な光-物質相互作用を実現し、新しい極子的デバイスの設計を可能とした。