[논문 리뷰] Control of Two-Dimensional Excitonic Light Emission via Photonic Crystal

Sanfeng Wu, Sonia Buckley외 10명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 24.

2D Materials and Applications인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 단일층 텅스텐 디셀레니드(WSe2)를 광결정(PhC) 공진자에 전달하여 2차원 전이 금속 디 chalcogenide(TMDC)에서의 효율적이고 방향성 있는 발광 제어를 수행한다. 이로 인해 형광 강도가 60배 향상되었으며, 설계된 PhC 구조를 통해 방향성, 편광 및 경사각 방향으로 재분포된 발광이 가능해졌다. 이 작업은 하이브리드 2차원 광학 구조에서 조절 가능한 광자 조작을 위한 2차원 광학 안테나를 구축하였다.

ABSTRACT

Monolayers of transition metal dichalcogenides (TMDCs) have emerged as new optoelectronic materials in the two dimensional (2D) limit, exhibiting rich spin-valley interplays, tunable excitonic effects, and strong light-matter interactions. An essential yet undeveloped ingredient for many photonic applications is the manipulation of its light emission. Here we demonstrate the control of excitonic light emission from monolayer tungsten diselenide (WSe2) in an integrated photonic structure, achieved by transferring one monolayer onto a photonic crystal (PhC) with a cavity. In addition to the observation of greatly enhanced (~60 times) photoluminescence of WSe2 and an effectively coupled cavity-mode emission, we are able to redistribute the emitted photons both polarly and azimuthally in the far field through designing PhC structures, as revealed by momentum-resolved microscopy. A 2D optical antenna is thus constructed. Our work suggests a new way of manipulating photons in hybrid 2D photonics, important for future energy efficient optoelectronics and 2D nano-lasers.

연구 동기 및 목표

• 두 번째 전이 금속 디칼코겐화합물(TMDC)인 단일층 WSe2에서의 효율적이고 정밀한 효율적 발광 제어를 달성하기 위해.
• 실용적인 광학 응용을 위해 2차원 물질에서 약하고 등방성인 발광 문제를 해결하기 위해.
• 단일층 WSe2를 광결정 공진자와 통합하여 설계된 광학 모드를 통해 발광을 강화하고 방향성을 부여하기 위해.
• 운동량 해상도가 있는 현미경을 사용하여 편광 및 경사각 방향으로 분해된 광자 방출을 입증하기 위해.
• 미래의 광전자 장치를 위한 조절 가능하고 효율적이며 방향성 있는 발광을 가능하게 하는 하이브리드 2차원 광학 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 단일층 WSe2는 기계적 분리되어 사전 제작된 고 품질 인자 공진기와 함께 광결정(PhC) 나노구조에 전달되었다.
• PhC 구조는 WSe2의 효율적 전이와 잘 결합되는 공진 모드를 지원하도록 설계되었다.
• 원거리 발광 패턴을 매핑하고 각도 및 편광 특성을 측정하기 위해 형광 스펙트로스코피 및 운동량 해상도 현미경이 사용되었다.
• 방향성 및 이방성 발광 제어를 확인하기 위해 각도 및 편광 해상도 측정을 통해 시스템을 특성화하였다.
• 이론적 모델링은 관측된 발광 패턴과 WSe2의 효율적 전이와 PhC 공진 모드 간의 결합 효율을 해석하는 데 지원하였다.
• PhC 위에 있는 WSe2의 발광과 순수 기판 위의 발광을 비교하여 형광 강도의 60배 향상 요인을 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광결정 구조는 단일층 WSe2의 효율적 발광을 제어 가능하고 측정 가능한 방식으로 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 설계된 PhC 구조를 통해 방향성 및 광자 편광을 얼마나 잘 제어할 수 있는가?
• RQ3 WSe2 효율적 전이와 PhC 공진 모드 간의 결합이 발광 프로파일과 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 운동량 해상도 현미경은 원거리 영역에서 이방성 및 방향성 발광 패턴을 드러낼 수 있는가?
• RQ5 광결정 공진자 통합을 통해 형광 강도의 최대 향상 정도는 얼마인가?

주요 결과

• 단일층 WSe2를 광결정 공진자에 전달함으로써 형광 강도가 60배 향상되었다.
• 발광이 공진 모드에 효과적으로 결합되어 좁은 스펙트럼 폭과 향상된 발광 효율을 나타냈다.
• 운동량 해상도 현미경을 통해 방출된 광자가 극적으로도, 경사각으로도 재분포됨을 확인하여 방향성 발광 제어가 가능함을 입증했다.
• 시스템은 강한 편광 이방성 특성을 보였으며, 발광 패턴이 광결정 격자 구조의 정렬 방향에 따라 달라졌다.
• 관측된 발광 패턴은 하이브리드 2차원 광학 기반의 기능성 2차원 광학 안테나의 형성 여부를 확인했다.
• 결과적으로, 광결정 통합을 통한 2차원 반도체에서의 광자 방출 제어는 확장 가능하고 효율적인 방법임을 입증했다.