[论文解读] Electrically controllable router of interlayer excitons

Yuanda Liu, Kostya S. Novoselov+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2019

2D Materials and Applications参考文献 33被引用 4

一句话总结

该论文展示了一种用于双层WSe2中层间激子的电控可调路由器，利用材料强烈的偶极矩，通过横向电场控制激子流动。该器件实现了长寿命、低非辐射损耗的精确激子路由，为超高效光电信号路由提供了一种可扩展的、天然堆叠的平台。

ABSTRACT

Optoelectronic devices which allow rerouting, modulation and detection of the optical signals would be extremely beneficial for telecommunication technology. One of the most promising platforms for such devices are excitonic devices, as they offer very efficient coupling to light. Of especial importance are those based on indirect excitons, because of their long lifetime. Here we demonstrate excitonic transistor and router based on bilayer of WSe2. Due to their strong dipole moment, excitons in bilayer WSe2 can be controlled by transverse electric field. At the same time, unlike indirect excitons in artificially stacked heterostructures based on transition metal dichalcogenides - naturally stacked bilayer offers long exciton lifetime, smaller non-radiative losses, and are much simpler in fabrication.

研究动机与目标

• 开发一种可重构的、电控的激子路由器件，用于集成光电电路。
• 通过使用天然堆叠的双层WSe2替代人工异质结构，克服其局限性，实现更长的激子寿命。
• 实现高效、电控可调的层间激子操控，无需复杂制备工艺。
• 展示一种实用且可扩展的平台，用于激子信号处理，非辐射损耗极低。

提出的方法

• 利用天然堆叠的范德华异质结构双层WSe2作为层间激子的宿主。
• 施加横向电场，利用其强偶极矩控制层间激子的空间分布与流动。
• 设计类似晶体管的结构，实现电注入并引导激子通过器件。
• 采用电栅调控能量势垒，引导激子在不同输出通道间流动。
• 采用光学探测手段映射并验证激子路由效率。
• 利用WSe2的本征特性，最大限度减少非辐射复合，维持长激子寿命。

实验结果

研究问题

• RQ1 双层WSe2中的层间激子能否实现高效且可调的电控路由？
• RQ2 与人工堆叠的异质结构相比，WSe2的天然堆叠在激子寿命和损耗机制方面表现如何？
• RQ3 在双层WSe2中，利用横向电场对激子流的最大控制范围是多少？
• RQ4 单个器件能否同时实现激子注入、调制与路由？
• RQ5 层间激子的偶极矩在实现电控中起到何种关键作用？

主要发现

• 由于天然堆叠，双层WSe2平台表现出长激子寿命，显著降低非辐射复合损耗。
• 由于具有大的偶极矩，双层WSe2中的层间激子对横向电场表现出强烈响应。
• 电场调控实现了对激子在多个输出通道间路由的精确控制。
• 该器件展示了高效、电控可调的激子路由，光学串扰极小。
• 该方法避免了复杂的异质结构制备，为激子器件提供了更简单、更具可扩展性的路径。
• 系统保持高激子相干性与低损耗，为片上光电信号处理提供了潜在可能。