能谷可调的二硫化钨—光栅强耦合器件瞬态光谱分析.docx

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1、能谷可调的二硫化铝一光栅强耦合器件瞬态光谱分析目录1 .论文导读12 .研究背景13 .技术突破24 .观点评述31 .论文导读单层过渡金属硫化物(TMDCS)因其独特的空间反演对称破缺结构和优异的光电性能是谷电子学器件中的优选材料。然而由于谷间散射的存在，在室温下如何保持及调控单层TMDCs的能谷选择特性也是能谷电子学领域的一个挑战。2023年2月11日，吉林大学王海副教授、王海宇教授、周强教授、以及清华大学孙洪波教授团队在PhotoniX上在线发表论文1HtrafastModu1ationofVa11eyDynamicsinMu1tip1eWS2-AgGratingsStrongCoup1

2、ingSystem,此工作通过分别将单层WS2与线性、圆环和螺旋银光栅结合，构建了多种WS2一光栅强耦合体系。在室温下实现了对单层WS2器件的线偏振和圆偏振调制，特别是利用螺旋光栅实现了对单层WS2两个能谷的非对称调控。并通过飞秒瞬态吸收技术揭示了多种WS2一光栅强耦合体系中的能谷调控机制。单层TMDC-SPPs多种偏振强耦合器件的动力学研究为能谷电子学器件的性能提升提供了有利的参考。2 .研究背景随着光电器件的蓬勃发展，单位面积上集成的光电元件越来越密集。著名的摩尔定律指出每隔十八个月电子芯片上集成的元器件数目会增加一倍，电子器件的性能也将提升一倍，半导体集成电路中的晶体管迅速逼近纳米尺度。

3、传统的利用电荷来传递信息的光电器件量子尺寸效应越来越明显，经典定律逐渐失效，传统的硅工业将要到达发展的极限，新材料的寻找和新体系结构的开发成为热点。而拓展电子的自旋自由度来作为信息存储和传输的载体可以有效地解决这些问题，自旋电子学也快速发展起来。具有空间反演对称破缺结构的过渡金属硫化物是自旋电子学器件的优选材料。然而由于谷间散射的存在，在室温下如何保持及调控单层TMDCs的能谷选择特性也是能谷电子学领域的一个挑战。3 .技术突破本工作分别将单层WS2与线性、圆形和螺旋银光栅结合，构建了WS2一银光栅多种强耦合体系。在室温下实现了对单层WS2器件的线偏振和圆偏振调制。在线性光栅的强耦合调制下，单

4、层WS2实现了较强的线偏振荧光发射（图IaJoWSz一螺旋光栅强耦合器件更是在室温下测到了圆偏振荧光极化现象（图IbJo而且WS2一螺旋光栅强耦合器件的圆偏振荧光极化率在左右旋光激发下有明显差异，说明将单层TMDCs与手性结构强耦合可以实现对单层TMDCs的K与K能谷的非对称调制。手性螺旋光栅对单层WSz的K与K能谷的非对称调制机制如图IC所示，手性螺旋光栅对左右旋光的聚焦效果的不同导致了其对K与-K能谷耦合效果的差异。为了进一步探究多种银光栅对单层WS2强耦合调控的机制，本工作重点测量了WS2光栅多种强耦合器件的瞬态吸收光谱。在WS2光栅多种强耦合器件的瞬态吸收光谱中，可以很明显地观测到两个

5、强耦合导致漂白峰，有效地确定了WSz一光栅强耦合体系的形成。WS2一线性光栅强耦合系统的瞬态吸收光谱展现了很强的线偏振调制，WSz一圆环和螺旋光栅强耦合系统的瞬态吸收光谱则有明显的圆偏振极化现象。特别是WS2一螺旋光栅强耦合器件在左旋光和右旋光激发下，瞬态吸收光谱展现出相反的行为（如图2ab所示），且在同向探测的情况下，WS2一螺旋光栅强耦合器件在左旋光与右旋光激发下表现出极大的差异并且一直保持，说明在螺旋光栅的调制下单层WSz的K和K能谷实现了非对称强耦合（如图2c所示）。WSz光栅多种强耦合器件的瞬态吸收光谱测量结果可以很好地解释其在稳态中测到的线偏振与圆偏振荧光发射现象。本工作首次对单层

6、WS2光栅多种偏振强耦合器件的动力学进行了系统研究，可以促进能谷电子学器件的发展。图1不同周期的WS2一线性光栅强耦合器件在TE(虚线)和TM(实线)模式下的荧光光谱;(bi).氧化硅衬底上的单层W%在右旋光激发下的圆偏振荧光光谱；(bii)-(biii).WS2一螺旋光栅强耦合器件分别在右旋光与左旋光激发下的圆偏振荧光光谱；(C)WS2一螺旋光栅强耦合器件的能谷调制示意图。580600620640580600620640580600620640660Wave1ength(nm)Wave1ength(nm)Wave1ength(nm)图2(a)(b),WS2一螺旋光栅强耦合器件分别在右旋光和左

7、旋光激发下的圆偏振瞬态吸收光谱随时间的变化；(c).在同向圆偏振探测情况下，WSz一螺旋光栅强耦合器件在右旋光和左旋光激发下的对比。4 .观点评述本工作中构建的多种WSz一银光栅强耦合体系在室温下实现了对单层WS2器件的线偏振和圆偏振调制。单层WS2与光栅强耦合后实现了线偏振和圆偏振荧光发射。且通过瞬态吸收光谱的测量，不仅有效地确定了WS2一光栅强耦合体系的形成，还观测到了单层WS2与线性，圆环和螺旋光栅强耦合后室温下的线偏振与圆偏振极化都能够保持。特别是WS2一螺旋光栅强耦合器件在左旋光和右旋光激发下，谷极化表现出相反的行为。这三种WS2一银光栅强耦合器件的相干杂化态谷动力学的表征可以为改善能谷电子学器件在室温下的性能提供有效的参考。