[논문 리뷰] Atomically thin mirrors made of monolayer semiconductors

Giovanni Scuri, You Zhou외 10명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 20.

2D Materials and Applications참고 문헌 49인용 수 87

한 줄 요약

단일 MoSe2 단일층이 육방정질 질화붕소(hBN)로 캡슐화되어 전기적으로 스위치 가능한 거울로 작동하며, 엑시톤 공명에 가까운 준저온에서 입사 광의 최대 85%를 반사한다.

ABSTRACT

Transition metal dichalcogenide monolayers are promising candidates for exploring new electronic and optical phenomena and for realizing atomically thin optoelectronic devices. They host tightly bound electron-hole pairs (excitons) that can be efficiently excited by resonant light fields. Here, we demonstrate that a single monolayer of molybdenum diselenide (MoSe2) can dramatically modify light transmission near the excitonic resonance, acting as an electrically switchable mirror that reflects up to 85% of incident light at cryogenic temperatures. This high reflectance is a direct consequence of the excellent coherence properties of excitons in this atomically thin semiconductor, encapsulated by hexagonal boron nitride. Furthermore, we show that the MoSe2 monolayer exhibits power- and wavelength-dependent nonlinearities that stem from exciton-based lattice heating in the case of continuous-wave excitation and exciton-exciton interactions when fast, pulsed laser excitation is used. These observations open up new possibilities for studying quantum nonlinear optical phenomena and topological photonics, and for miniaturizing optical devices.

연구 동기 및 목표

• 원자 두께 반도체에서 엑시톤-코히런트(light-matter interactions) 상호작용 탐구를 자극한다.
• MoSe2 단일층이 엑시톤 공명 부근에서 빛의 투과율과 반사율을 극적으로 바꿀 수 있음을 보여준다.
• 엑시톤 가열 및 엑시톤-엑시톤 상호작용에서 기인하는 전력 의존적 및 파장 의존적 비선형 현상을 보인다.

제안 방법

• 엑시톤 코히런스를 보존하기 위해 hexagonal boron nitride(hBN)으로 캡슐화된 단일 MoSe2 단층을 사용한다.
• 저온에서 엑시톤 공명 부근의 빛 투과 및 반사를 측정한다.
• 격자 가열과 관련된 비선형성을 관찰하기 위하여 연속파 자극을 조사한다.
• 빠른 펄스 레이저 자극을 조사하여 엑시톤–엑시톤 상호작용 주도 비선형성을 관찰한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoSe2 단일층이 엑시톤 공명 부근에서 조정 가능한 원자 두께 광학 거울로 작동할 수 있는가?
• RQ2 높은 반사율 달성에서 엑시톤 코히런스와 캡슐화의 역할은 무엇인가?
• RQ3 연속파 자극과 펄스 자극 하에서 MoSe2 단일층에서 어떤 비선형 광학 현상이 나타나는가?
• RQ4 엑시톤 기반 과정이 양자 비선형 광학 및 위상광학 분야의 잠재적 응용을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• MoSe2 단일층은 엑시톤 공명 부근에서 준저온에 입사광의 최대 85%를 반사할 수 있다.
• 높은 반사율은 엑시톤의 뛰어난 코히런스 특성과 hBN에 의한 캡슐화 때문이다.
• 비선형성은 전력 의존적이며 파장 의존적이다: 연속파 자극 하에서는 격자 가열이 우세하고, 빠른 펄스 자극 하에서는 엑시톤–엑시톤 상호작용이 우세하다.
• 이러한 발견은 양자 비선형 광학 현상을 연구하고 광학 소자를 소형화하는 새로운 가능성을 시사한다.