港澳宝典资料大全胡泽华、清华大学熊启华团队Nature Communications：超快激子极化激元驰豫诱导的非常规能量转移效应

发布时间：2024-02-28浏览次数：10

【研究背景】

半导体过渡金属硫化物（TMDs）在电子学、光电子学、谷电子学和扭转电子学等领域展现出了许多引人注目的特性，从而受到了学术界和工业界的广泛关注。尽管单层TMDs是直接带隙半导体，但由于其较低的光吸收率和外量子效率，导致大多数TMDs的光致发光（PL）产率较低。这一问题限制了TMDs在纳米光子器件，如LED、激光器、显示设备和片上光网络等方面的应用。为了解决这一问题，科学家们尝试通过非辐射能量转移机制实现发光强度的均匀增强。常规的非辐射能量转移机制包括了Förster共振能量转移（FRET）和Dexter型能量转移（DET）。然而，迄今为止，这些常规机制在2D半导体中的增益因子（η）局限在2左右，无法根本性地解决这一问题。另一种可能的方法是利用激子-光子极化激元的概念，通过异质结与微腔的强耦合，实现极化激元弛豫诱导的非常规能量转移。然而，实现非常规能量转移是领域内一大挑战，因为需要1）克服电荷转移引起的PL猝灭；2）确保施主激子、受体激子和微腔光子之间的模式匹配。

【成果介绍】

为了解决这些问题，港澳宝典资料大全胡泽华助理教授、清华大学熊启华教授、南洋理工大学Timothy Liew教授、意大利CNR-Nanotec的Daniele Sanvitto教授联合团队在Nature Communications发表研究论文“Energy transfer driven brightening of MoS₂ by ultrafast polariton relaxation in microcavity MoS₂/hBN/WS₂ heterostructures”。该研究设计构建了Fabry-Pérot（FP）微腔限域的hBN/MoS₂/hBN/WS₂隧穿结，首次实现了施主激子、受体激子和微腔光子模式之间的强耦合相互作用，即形成了激子极化激元。揭示了超快极化激元弛豫（1.3皮秒）诱导的非常规能量转移新机制，从而将荧光产率大幅提高440倍（比常规能量转移提高两个数量级）。结合理论研究，建立了极化激元弛豫效率和真空拉比劈裂能的相图。本项成果开拓了二维异质结微腔光动力学研究新方向。

【图文解读】

图1展示了FP微腔限域hBN/MoS₂/hBN/WS₂异质结（het@cavity−）的设计、构造和光学性质。图1a示意性地描述了激子-光子极化激元的形成和弛豫过程。图1b展示了微腔限域hBN/MoS₂/hBN/WS₂异质结的结构。图1c展示了硅片上hBN/MoS₂/hBN/WS₂（het@SiO₂）的微分反射光谱（虚线红色），WS₂和MoS₂的激子峰清晰可见。归一化实空间PL光谱展示了het@SiO₂（黑色）和het@cavity−（蓝色）的光学特性：het@SiO₂的发光有两个峰，能量主要集中在WS₂，因为WS₂有着远优于MoS₂的光学性能以及FRET的η约为3；而het@cavity−的发光只有单峰，能量比MoS₂的激子能还低，不论是发光峰型还是峰位都发生了显著的变化，说明FP微腔限域对能量转移效应产生了重要的影响。

图1. FP微腔限制hBN/MoS₂/hBN/WS₂异质结的设计、构造和性质。

为了进一步了解het@cavity−、MoS₂@cavity和WS₂@cavity中的极化激元弛豫过程，图2a,c,e中展示了k空间能量分辨的反射成像。对比het@cavity−和MoS₂@cavity/WS₂@cavity的反射成像得知：het@cavity-的极化激元色散与三耦合振子模型吻合，具有UPB、MPB和LPB三个分支，这表明施主激子、受主激子与微腔光子模式三者之间发生了强耦合。相对的，MoS₂@cavity和WS₂@cavity的极化激元色散与二耦合振子模型吻合，只有UPB和LPB两个分支，这表明只有施主或受主的激子与微腔光子模式之间发生了强耦合。

图2b,d,f的右半部分展示了k空间能量分辨的PL成像：het@cavity−的发光主要来自下能支，强度很高；MoS₂@cavity的发光虽然来自下能支，但强度很弱（注意scale bar的变化）；WS₂@cavity的发光强度很高，但受极化激元瓶颈效应的影响，发光主要来自高能量和高k区域。因此，het@cavity−通过极化激元驰豫诱导的非常规能量转移，综合了MoS₂@cavity的窄发光线宽和WS₂@cavity高亮度的优势。经过计算，het@cavity−的增益因子高达440，比het@SiO₂（FRET效应，η约为3）高出了两个数量级。通过k空间速率方程的计算与拟合，得出het@cavity−中极化激元驰豫效率高的主要原因是声子辅助的激子—激子散射速率得到了大幅提高，从而克服了热声子瓶颈效应（图2b,d,f的左半部分）。

图2. het@cavity−、MoS₂@cavity和WS₂@cavity中极化激元弛豫的比较。

图3采用微区k空间能量分辨的瞬态反射光谱，详细揭示了WS₂@cavity和het@cavity−中极化激元布居在动量、能量和时间域的演化。通过580 nm/200 fs激光脉冲的激发，研究者测量了在特定时间延迟后的宽带白光反射率变化，以研究激发后的动力学过程。图3a展示了WS₂@cavity的k空间瞬态反射光谱：在0 ps时，激光脉冲激发了激子库，形成了激子极化激元，引起了k_// ≈ 2.3 μm⁻¹处的光漂白信号；接着，在k_//≈ 0 μm⁻¹区域出现了导数信号，代表了LPB的蓝移，该信号强度逐渐增加，在约6 ps时达到最大值，之后缓慢衰减。图3b呈现了在典型时间延迟下的k空间瞬态反射光谱的积分结果，以研究不同时间点的极化激元的演变。此外，图3c展示了导数信号强度随时间的演变，通过拟合获得了特征上升时间（τ）约为2.8 ± 0.4 ps，反映了WS₂@cavity中极化激元弛豫的动力学过程。作为对比，图3d-f呈现了het@cavity−的相应数据：导数信号在k_// ≈ 0 μm⁻¹区域的强度迅速增加，约在2 ps时达到峰值，通过拟合获得了更短的特征上升时间（τ）约为1.3 ± 0.2 ps。这表明了het@cavity−中发生了更快速的极化激元弛豫过程，因此得以克服瓶颈效应，实现超高的增益因子。

图3. 时间分辨极化激元弛豫动力学。

图4展示了极化激元弛豫效率和特征上升时间的相图，通过该相图可以清晰地观察到极化激元弛豫效率随着Ω₁和Ω₂的变化趋势。对于特定的Ω₁和Ω₂，存在一个最佳效率的取值范围，这对于优化极化激元介导的能量转移过程至关重要。图中标记了七个具体的实验案例，展示了它们在相图中的位置，从而进一步验证了理论模型的有效性。与此同时，在图4b中，特征上升时间也与Rabi能量Ω₁和Ω₂进行了关联。研究者发现特征上升时间与散射速率密切相关，而不是LPB低k_//区域的最终极化激元布居数。特别是，较小的Ω₁导致更多的极化激元从UPB到MPB的弛豫，从而加速了LPB布居的增长，这与实验结果的观察一致。

图4. 极化激元弛豫动力学相图与Rabi能量的关系。

【结论展望】

本研究设计了光学微腔限域的二维异质结，首次实现了施主激子、受主激子和微腔光子三者的强耦合相互作用，揭示了极化激元弛豫诱导的非常规能量转移机制，得到了440倍的超高能量转移增益因子，比常规能量转移提高了两个数量级。通过微区k空间瞬态反射光谱技术，详细研究了极化激元在动量、能量和时间域的演变过程，并提取出了1.3 ps的极化激元弛豫特征时间。建立了极化激元弛豫效率/特征上升时间与Rabi能之间的相图，深入探讨了极化激元弛豫与激子-光子耦合强度之间的关系。此外，本项研究开拓了二维异质结微腔光动力学研究新方向，为探索新的光子学现象和应用提供了新的思路和方法。

【文献信息】