[论文解读] Control of Two-Dimensional Excitonic Light Emission via Photonic Crystal

Sanfeng Wu, Sonia Buckley+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2013

2D Materials and Applications被引用 11

一句话总结

该论文通过将单层二硒化钨（WSe2）转移到光子晶体（PhC）腔上，实现了对二维过渡金属二硫属族化合物（TMDC）中激子发光的调控，实现了光致发光强度60倍增强，并通过设计的光子晶体结构实现了定向、偏振化以及方位角分布的发光。该工作建立了一种可调谐的二维光子调控光学天线，推动了异质二维光子学的发展。

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.

研究动机与目标

• 实现对二维过渡金属二硫属族化合物（TMDC）中激子发光的精确调控，特别是单层WSe2。
• 克服二维材料中弱且各向同性发光的挑战，以满足实际光子应用需求。
• 将单层WSe2与光子晶体腔集成，通过设计的光学模式增强并定向发射光。
• 利用动量分辨显微镜展示偏振与方位角分辨的光子发射特性。
• 为未来光电子器件建立一种可调谐、高效且定向的二维光子学平台。

提出的方法

• 通过机械剥离法获得单层WSe2，并将其转移到预先制备的高品质因子光子晶体（PhC）纳米结构上。
• 光子晶体结构被设计为支持与WSe2中激子跃迁高效耦合的共振腔模。
• 利用光致发光（PL）光谱与动量分辨显微镜，绘制远场发射图案并测量其角度与偏振特性。
• 通过角度与偏振分辨的发射测量对系统进行表征，以确认其具备定向与各向异性发射控制能力。
• 理论建模支持对观测到的发射图案及WSe2激子与PhC腔模之间耦合效率的解释。
• 通过比较WSe2在PhC上与在裸基底上的发光强度，量化了60倍的光致发光增强因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子晶体结构能否以可控且可测量的方式增强单层WSe2的激子发光？
• RQ2 通过设计的光子晶体结构，能否在多大程度上调控发射光子的方向性与偏振特性？
• RQ3 WSe2激子与光子晶体腔模之间的耦合如何影响发射谱形与强度？
• RQ4 动量分辨显微镜能否揭示远场中各向异性和定向的发射图案？
• RQ5 通过与光子晶体腔集成，光致发光的最大增强倍数是多少？

主要发现

• 当单层WSe2被转移到光子晶体腔上时，其光致发光强度实现了60倍增强。
• 发光有效耦合至腔模，导致光谱线宽变窄并显著提升发光效率。
• 动量分辨显微镜显示，发射光子在极角与方位角方向上均发生重新分布，表明实现了定向发射控制。
• 该系统表现出强烈的偏振各向异性，其发射图案依赖于光子晶体晶格的取向。
• 观测到的发射图案证实了基于异质二维-光子结构的二维光学天线已成功形成。
• 结果表明，通过光子晶体集成，可在二维半导体中实现一种可扩展且高效的光子发射调控方法。