[논문 리뷰] Resonant Photon-Exciton Coupling in All-Semiconductor Heterostructures Composed of Silicon Nanosphere and Monolayer WS2

Hao Wang, Jinxiu Wen외 9명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 31.

Strong Light-Matter Interactions참고 문헌 43인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 실리콘 나노구슬과 단일층 WS2로 구성된 전반적인 반도체 이중구조에서 강한 공명 광자-익시톤 결합을 입증하며, 자화도 전이-익시톤 결합을 통해 77 meV의 라비 분리도를 달성한다. 이 결합은 간섭 거리 변화에 덜 민감하며 온도 조절을 통해 제어 가능하여, 익시톤 참여를 최소화한 효율적인 온칩 나노광학 응용이 가능하다.

ABSTRACT

Tailoring and enhancing the interaction between light and matter is of great importance for both fundamental researches and future photonic and optoelectronic applications. Due to their high exciton oscillator strength and large exciton binding energy, two-dimensional atomic semiconducting transition metal dichalcogenides have recently emerged as an excellent platform for the strong photon-exciton interaction by integrating with optically resonant cavities. Here, we propose an all-semiconductor system composed of individual silicon nanospheres and monolayer WS2 and investigate the resonance coupling between these two constituents. By coating the silicon nanospheres with monolayer WS2, we demonstrate the strong resonance coupling between the magnetic dipole mode and A-exciton, evidenced by an anticrossing behavior in the scattering energy diagram with a Rabi splitting of 77 meV. Compared with the plasmonic analogues, the resonance coupling in all-semiconductor heterostructure is much stronger and less sensitive to the spacing between the silicon nanosphere core and WS2 shell. When the silicon nanospheres are placed onto the WS2 monolayer with a point contact, resonance coupling manifested by the quenching dips in the scattering spectra can also be observed at ambient conditions, which involves only a few excitons. Finally, resonance coupling in the all-semiconductor heterostructure can be active controlled by temperature scanning. Our findings suggest that this all-semiconductor heterostructure can be exploited for future on-chip nanophotonics associated with strong light-matter interactions.

연구 동기 및 목표

• 스케일러블 나노광학 장치를 위한 전반적인 반도체 이중구조에서 강한 빛-물질 상호작용을 탐구하기 위해.
• 고익시톤 결합 에너지를 가진 2차원 전이 금속 디칼코겐화합물의 사용으로 플라즈모닉 시스템의 한계를 극복하기 위해.
• 물질 손실과 환경 민감도가 최소화된 강력하고 조절 가능한 광자-익시톤 결합을 달성하기 위해.
• 단 몇 개의 익시톤만으로도 실온에서 전기적으로 제어 가능한 결합을 구현하기 위해.

제안 방법

• 단일층 WS2로 코팅된 개별 실리콘 나노구슬을 이용해 코어-쉘 이중구조를 제작한다.
• 공명 주파수에서의 입사 광선을 통해 실리콘 나노구슬 내에서 자화도 모드를 자극한다.
• 강한 결합을 나타내는 반대칭성 행동을 관찰하기 위해 산란 스펙트럼을 측정한다.
• 온도 스캔을 통해 결합 강도를 능동적으로 조절하고 익시톤 반응을 탐색한다.
• 점접촉 구조에서 산란 스펙트럼의 억제 패턴을 분석하여 실온 조건에서의 결합을 확인한다.
• 산란 에너지도에서 에너지 준위의 반대칭성 상승 현상에서 라비 분리도를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플라즈모닉 물질을 사용하지 않고도 전반적인 반도체 이중구조에서 강한 광자-익시톤 결합을 달성할 수 있는가?
• RQ2 실리콘 나노구슬과 WS2 단일층 사이의 간격이 결합 강도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 실온 조건에서 단 몇 개의 익시톤만으로도 공명 결합을 관찰하고 제어할 수 있는가?
• RQ4 이 전반적인 반도체 시스템에서의 라비 분리도의 크기는 얼마인가?
• RQ5 온도와 같은 외부 매개변수를 통해 결합을 능동적으로 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 77 meV의 라비 분리도가 관측되어 실리콘 나노구슬의 자화도 모드와 WS2의 A-익시톤 사이의 강한 공명 광자-익시톤 결합을 확인한다.
• 플라즈모닉 유사체에 비해 훨씬 강력하고 표면 간격 변화에 덜 민감한 결합 특성을 보인다.
• 실온 조건에서 점접촉 구조에서도 공명 결합이 관측되었으며, 단 몇 개의 익시톤만으로 이루어졌다.
• 산란 스펙트럼에서 억제 패턴이 나타나, 완전한 코팅이 없어도 강한 결합이 존재함을 시사한다.
• 온도 스캔을 통해 결합 강도를 능동적으로 제어할 수 있어 빛-물질 상호작용의 동적 조절이 가능하다.