[논문 리뷰] Spontaneous emission enhancement in strain-induced WSe2 monolayer based quantum light sources on metallic surfaces

Laxmi Narayan Tripathi, Oliver Iff외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 02.

2D Materials and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 은 기반 상에서 3 nm 두께의 Al₂O₃ 캡핑층을 가진 WSe₂ 단일층에서 기계적 스트레인을 이용한 단일 광자 발광체를 구현하여 플라스모닉 결합을 통해 자발적 방출을 증가시켰다. 실험적 및 수치적 결과는 100 ps 이내의 붕괴 시간과 약 2.5×의 퍼셀 증폭을 확인하였으며, 이는 금속 기반 플랫폼에서 초소형 양자 광원을 실현하는 데 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 금속 기반에서 기계적 스트레인을 이용하여 안정적이고 밝은 단일 광자 발광체를 생성한다.
• 은 표면에 나노구조 플라스모닉 구조를 이용하여 양자 발광체의 자발적 방출률을 향상시킨다.
• 금속 나노안테나와의 통합을 통해 효율적인 광 추출 및 복사 붕괴 증폭을 달성한다.
• 실험적 및 수치적 방법으로 플라스모닉 결합이 방출 강도를 증가시키고 붕괴 시간을 단축시킴을 검증한다.
• 고성능 단일 광자 소스를 나노플라스모닉 회로에 스케일러블하고 초소형으로 통합할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 전자빔 증착을 통해 사파이어 기반 상에 200 nm 두께의 은 필름을 제작한 후, 75° 및 85°에서 아르곤 이온 밀링을 실시하여 거친 나노구조 표면을 형성하였다.
• 비가역성 억제 및 조절된 발광체 위치를 위해 원자층 증착(AlD)을 이용해 은 표면에 3 nm 두께의 Al₂O₃ 층을 코ating 하였다.
• PDMS 스탬프를 이용한 기계적 분리 방법을 통해 은/Al₂O₃ 기반 상에 기계적 분리된 WSe₂ 단일층을 전사하였다.
• 532 nm 연속파 레이저와 50× 목표 렌즈(0.42 NA)를 사용하여 5 K에서 공간 및 스펙트럼적으로 분리된 광발광(PL) 측정을 수행하였다.
• 445 nm 펄스 레이저(76 MHz, 12 μW)와 350 ps 시간 해상도를 가진 암류 광다이오드(APD)를 사용하여 시간에 따른 광발광 측정을 수행하였다.
• 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 수행하였으며, 20 nm 높이, 23 nm 지름의 나노콘, Al₂O₃(산란율 n = 1.671) 캡핑층, 은의 유전율 함수를 사용하여 나노콘 가장자리 근처의 퍼셀 증폭 및 전기장 증폭을 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기계적 스트레인에 의해 유도된 WSe₂ 단일층 내의 양자 발광체는 금속 기반에서 고안정성 및 고광도를 유지하면서 생성될 수 있는가?
• RQ2 나노구조 은 표면과의 플라스모닉 결합은 단일 광자 발광체의 자발적 방출률을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 금속 나노콘의 어느 부분에서 복사 붕괴율 증폭이 최대가 되는가—꼭대기 부분이면 안쪽 가장자리인가?
• RQ4 3 nm 두께의 Al₂O₃ 스퍼터 층 존재는 발광체의 비복사 붕괴와 방출 증폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 수치적 시뮬레이션은 이러한 하이브리드 플라스모닉-TMDC 시스템의 퍼셀 증폭 및 전기장 분포를 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 100 μeV 이하의 스펙트럼 폭과 100 ps 이내의 붕괴 시간을 가지는 양자 발광체가 실험적으로 관측되어 강한 복사 결합을 시사한다.
• Ag/Al₂O₃ 기반 상에서의 WSe₂ 단일층 발광은 선형 편광성이 매우 높으며, 국소화된 음자 전이와 일치한다.
• 수치적 시뮬레이션 결과, 나노콘 구조의 플라스모닉 모드와의 결합으로 최대 약 2.5×의 퍼셀 증폭 인자가 예측된다.
• 최대 자발적 방출 증폭은 뾰족한 끝부분이 아닌 나노콘 가장자리에서 발생하며, 이는 더 강한 국소 전기장 증폭 때문인 것으로 밝혀졌다.
• 관측된 방출 스펙트럼(720–800 nm)은 12 nm 은 나노입자의 플라스모닉 공진과 일치하여 공진 결합을 시사한다.
• 3 nm 두께의 Al₂O₃ 캡핑 층은 비복사 붕괴를 효과적으로 억제하여 금속과의 근접성에도 불구하고 안정적이고 밝은 단일 광자 방출을 가능하게 한다.