陶廣益 齊鵬飛 戴宇琛 石蓓蓓 黃逸婧 張?zhí)旌?方哲宇?

1) (北京大學(xué)物理學(xué)院,人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100871)

2) (南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院光子學(xué)中心,弱光非線性光子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津市信息科學(xué)光子學(xué)材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300071)

3) (南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所,天津市微尺度光學(xué)信息技術(shù)科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300350)

過(guò)渡金屬硫化物單層具有直接帶隙,可產(chǎn)生較強(qiáng)的光致發(fā)光,這一特殊的性質(zhì)使其在光電器件、光電探測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.由于只有原子級(jí)別的厚度以及存在激子的非輻射復(fù)合,其光致發(fā)光效率仍有待提高.本文設(shè)計(jì)了一種金膜-二氧化鈦光柵-過(guò)渡金屬硫化物單層組合結(jié)構(gòu),可大幅提升過(guò)渡金屬硫化物單層光致發(fā)光效率.利用Purcell 效應(yīng)對(duì)自發(fā)輻射速率進(jìn)行控制,得到峰值為3.4 倍的發(fā)光增強(qiáng).研究了單層二硫化鎢以及單層二硒化鎢在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上的光致發(fā)光信號(hào),通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了過(guò)渡金屬硫化物單層與亞波長(zhǎng)光柵耦合結(jié)構(gòu)中光致發(fā)光增強(qiáng)的可行性,為二維材料在光電器件中的應(yīng)用提供了一個(gè)新思路.

1 引言

近年來(lái),過(guò)渡金屬硫化物(transition metal dichalcogenides,TMDCs) 憑借其優(yōu)異的光電性能,成為新材料的研究熱點(diǎn)[1?3].TMDCs 單層的晶格結(jié)構(gòu)與石墨烯類似,呈六邊形結(jié)構(gòu),其中過(guò)渡金屬原子和硫族元素原子之間通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合,兩層硫族元素原子將一層過(guò)渡金屬原子夾在中間,構(gòu)成空間三層結(jié)構(gòu).在TMDCs 塊材中,單層通過(guò)范德瓦耳斯力相結(jié)合的,由于層間的弱相互作用力,使得人們可以通過(guò)多種剝離手段獲得其單層材料.TMDCs 材料的帶隙取決于其層數(shù),通常TMDCs多層為間接帶隙半導(dǎo)體,當(dāng)層數(shù)減少至單層時(shí),它們將轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體[4].TMDCs 單層不僅具有直接光學(xué)帶隙,還有激子束縛能大[5]和自旋軌道耦合強(qiáng)[6]等特性.同時(shí),由于TMDCs 單層具有天然的空間反演對(duì)稱性破缺,動(dòng)量空間K和K′谷附近電子存在自旋-能谷鎖定效應(yīng),對(duì)光子的響應(yīng)需要滿足特定能谷選擇定則,這種自旋谷極化效應(yīng)可在室溫下被電調(diào)控[7,8]和光學(xué)讀取[9,10].上述優(yōu)良的光電特性使得TMDCs 在納米光子學(xué)、光電子學(xué)、量子光學(xué)、磁光和微電子等方面有著很多潛在的應(yīng)用[11?14].

TMDCs 單層作為直接帶隙半導(dǎo)體具有很強(qiáng)的光致發(fā)光特性,并且光譜響應(yīng)范圍覆蓋了可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域.層狀TMDCs 材料都特別適合作為光發(fā)射和吸收材料.以二硫化鉬(MoS2)為例,單層MoS2比塊材MoS2的光致發(fā)光(photoluminescence,PL)效率高出104倍[12?15].因此,TMDCs 單層在光電探測(cè)器[15]、發(fā)光二極管[16,17]、低閾值激光器[18]等方面有著巨大的應(yīng)用前景.目前,由于只有原子級(jí)別厚度,TMDCs 單層與光場(chǎng)相互作用范圍小,對(duì)入射光吸收效率仍然偏低,以單層MoS2為例,在共振吸收的光譜范圍內(nèi)也只有10%的吸收效率,限制了其在光電子和光伏器件中的應(yīng)用[19].研究表明,與入射光場(chǎng)共振的微納結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)TMDCs光吸收增強(qiáng),比如納米盤陣列[20]、光子晶體[21]、納米天線[22]、布拉格光柵耦合微腔[23]、納米腔陣列[24]等.此外,TMDCs 單層發(fā)光源于激子輻射復(fù)合,但是其非輻射復(fù)合速率仍遠(yuǎn)大于自發(fā)輻射速率.在非輻射復(fù)合主導(dǎo)下,整體的效率僅在10–2量級(jí)[12].因此調(diào)控激子的弛豫過(guò)程,增強(qiáng)自發(fā)輻射速率可以進(jìn)一步提高TMDC 單層的光電性能.通過(guò)外加磁場(chǎng)或摻雜的方式,可以有效調(diào)控激子的復(fù)合,實(shí)現(xiàn)PL 增強(qiáng)[25,26].有研究表明,將TMDCs 單層與光子晶體諧振腔(PPC)耦合,利用Purcell 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)PL 增強(qiáng)效果[27?29].自發(fā)輻射的增強(qiáng)可用Purcell因子表示:其中Q為諧振腔的品質(zhì)因數(shù),Vmode為有效模式體積,λ為共振波長(zhǎng),n為介質(zhì)的折射率.通過(guò)諧振腔與激子發(fā)射峰耦合可以調(diào)控弛豫過(guò)程中輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,從而調(diào)控光致發(fā)光強(qiáng)度.

本文制備了共振模式在615 nm 附近的亞波長(zhǎng)TiO2光柵,通過(guò)干法轉(zhuǎn)移將TMDCs 單層轉(zhuǎn)移到光柵上方,進(jìn)一步研究光柵結(jié)構(gòu)對(duì)單層二硫化鎢(WS2)和單層二硒化鎢(WSe2)樣品的PL 譜的影響.與非光柵上的TMDCs 單層相比,光柵上的單層TMDCs PL 強(qiáng)度有了2—3 倍的增強(qiáng).通過(guò)分析不同樣品的PL 譜以及熒光壽命譜,揭示了亞波長(zhǎng)二氧化鈦光柵對(duì)激子弛豫過(guò)程的有效調(diào)控,同時(shí),光柵與激發(fā)光的耦合作用也對(duì)TMDCs 單層的光吸收有積極的影響.本研究證實(shí)了在TMDCs 單層與亞波長(zhǎng)光柵耦合結(jié)構(gòu)中研究光與物質(zhì)相互作用增強(qiáng)可行性,為介質(zhì)結(jié)構(gòu)與二維材料復(fù)合體系的實(shí)際應(yīng)用提供了一種新的制備策略,對(duì)設(shè)計(jì)基于二維半導(dǎo)體高靈敏度光電探測(cè)器超薄高效太陽(yáng)能電池等應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義.

2 實(shí)驗(yàn)方法

采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)表征TiO2光柵的微觀形貌;采用高光譜成像系統(tǒng)(Cytoviva,HISV3)采集了TiO2光柵的暗場(chǎng)圖像、反射譜和散射譜;采用共聚焦激光掃描系統(tǒng)(ISS Q2)獲得樣品PL 掃描圖和熒光壽命譜;采用PL 光譜測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試樣品在室溫下的PL 光譜,由鎖模振蕩器(Tsunami 3941C-25XP)通過(guò)無(wú)限遠(yuǎn)校正工作距離的顯微鏡聚焦激發(fā)樣品,通過(guò)Acton SP2500 型光譜儀收集并處理信號(hào).

3 結(jié)果和討論

3.1 器件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及表征

本文研究的單層WS2/TiO2光柵/襯底結(jié)構(gòu)原理圖如圖1(a)所示,其中灰色和黃色層分別代表了10 nm 的氧化鋁間隔層和100 nm 的金層,淺藍(lán)色的柵狀結(jié)構(gòu)是本文設(shè)計(jì)的亞波長(zhǎng)TiO2光柵,其高為73 nm,周期510 nm,柵寬128 nm.在上述結(jié)構(gòu)中,金層可以反射透射光提高TMDC 單層對(duì)光的吸收利用,同時(shí)反射TMDCs 單層發(fā)出的光,提高收集效率.氧化鋁層可以阻隔TMDCs 單層與金層,避免直接接觸導(dǎo)致激子猝滅.該光柵的期望共振波段與單層WS2的激子波段對(duì)準(zhǔn),光柵上面是WS2單層,通過(guò)聚焦激光激發(fā)該樣品.在單層WS2中,基態(tài)電子通過(guò)吸收一個(gè)光子被激發(fā)和弛豫,然后形成的激子的能量與光柵腔模共振,相比于自由空間,光柵能夠增大量子發(fā)射體附近的局域光學(xué)態(tài)密度,從而導(dǎo)致量子發(fā)射體自發(fā)輻射速率變化使其發(fā)射過(guò)程得到增強(qiáng).

機(jī)械剝離制備的單層WS2轉(zhuǎn)移在TiO2光柵/Al2O3/Au/SiO2/Si 結(jié)構(gòu)上,圖1(b)為亞波長(zhǎng)二氧化鈦光柵的SEM 圖像,圖中標(biāo)度為4 μm,光柵區(qū)域用虛線標(biāo)出,其長(zhǎng)和寬均約40 μm.插圖是該光柵的局部放大圖,其中的標(biāo)度為1 μm,從中可以得到光柵的柵寬為128 nm、周期為510 nm.圖1(c)是樣品在顯微鏡下的圖像,其中虛線區(qū)域是單層WS2,顏色較深的正方形部分是二氧化鈦光柵.圖1(d)為樣品的暗場(chǎng)圖像,藍(lán)色區(qū)域?qū)?yīng)二氧化鈦光柵,光柵上較亮的部分是單層WS2.

圖1(e)和圖1(f)給出了上述光柵對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)反射譜和散射譜,以確認(rèn)激子發(fā)射和光柵共振模式匹配.本文設(shè)計(jì)的光柵在615 nm 附近存在反射率極小值和散射率極大值.單層WS2的PL 譜與所設(shè)計(jì)的亞波長(zhǎng)光柵的散射光譜重疊,根據(jù)Purcell效應(yīng)可知,當(dāng)光學(xué)微腔頻率與發(fā)射體共振時(shí),發(fā)射體的自發(fā)輻射速率會(huì)增大,這意味著單層WS2的激子發(fā)射與亞波長(zhǎng)光柵的共振模式可以發(fā)生共振,使得激子的發(fā)射過(guò)程得到增強(qiáng),增加光致發(fā)光強(qiáng)度.

3.2 光柵共振器件中的光致發(fā)光增強(qiáng)

為了研究單層WS2在亞波長(zhǎng)光柵上的光致發(fā)光增強(qiáng),在室溫環(huán)境下,以407 nm 相同偏振的激光分別對(duì)光柵外和光柵上完整的單層WS2區(qū)域進(jìn)行激發(fā)功率依賴的光致發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量.首先,對(duì)光柵外的單層WS2進(jìn)行實(shí)驗(yàn),圖2(a)是其激發(fā)功率依賴的PL 圖.隨著激發(fā)功率的增加,單層WS2的PL 強(qiáng)度明顯增大,而光譜形狀和峰值位置是固定的,說(shuō)明在該激發(fā)功率水平下可以合理地忽略熱效應(yīng).圖2(b)給出了光柵上的單層WS2的PL 強(qiáng)度的功率依賴.和光柵外的單層WS2一樣,隨著激發(fā)功率的增加,PL 強(qiáng)度明顯增大,并且光譜形狀和峰值位置是固定的,在相同的激發(fā)功率下,其PL 強(qiáng)度遠(yuǎn)高于光柵外的單層WS2.

圖2 (a) 光柵外和(b) 光柵上單層WS2 在不同激發(fā)功率PL 光譜;(c) 光柵外和光柵上單層WS2 光致發(fā)光強(qiáng)度與泵浦功率的關(guān)系以及對(duì)應(yīng)的PL 強(qiáng)度比值;(d) 400 μW 泵浦功率下光柵外和光柵上單層WS2 PL 光譜Fig.2.(a) PL spectra of the WS2 monolayer (a) outside the grating and (b) on the grating at different excitation powers;(c) relationship between the WS2 photoluminescence intensity and the pump power and the fitting curve;(d) PL spectra of the WS2 monolayer at 400 μW pump power.

選取不同功率激光激發(fā)下單層WS2的最高PL 強(qiáng)度,并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖2(c)所示.可以看出,在低激發(fā)功率下,單層WS2的光致發(fā)光強(qiáng)度隨功率增大有著較大的增強(qiáng).隨著激發(fā)光功率的增大,光柵外的單層WS2光致發(fā)光強(qiáng)度變化趨于平緩,這表明單層WS2對(duì)光的吸收有接近飽和的趨勢(shì);而相同條件下光柵上的單層WS2趨勢(shì)并不明顯,這一現(xiàn)象從側(cè)面反映出其光致發(fā)光過(guò)程中一定存在弛豫加速或出現(xiàn)了新的弛豫通道,使得激子的密度更難以接近閾值.隨著激發(fā)光功率的增加,PL 增強(qiáng)的倍率也在不斷提高,并趨于平穩(wěn).結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)對(duì)單層WS2有著較為穩(wěn)定的光致發(fā)光增強(qiáng).

在最大激發(fā)功率下,光柵上的單層WS2和光柵外的單層WS2的PL 譜如圖2(d)所示,光柵上的單層WS2相對(duì)于光柵外單層WS2的光致發(fā)光中心波長(zhǎng)有紅移,這是二者所處的介電環(huán)境不同導(dǎo)致的[30,31],在此功率激發(fā)光激發(fā)下,光柵上的單層WS2的光致發(fā)光強(qiáng)度是光柵外單層WS2光致發(fā)光強(qiáng)度的3.4 倍.

3.3 樣品的PL 掃描圖與光柵的模擬場(chǎng)分布

為了研究光致發(fā)光增強(qiáng)與位置的關(guān)系,測(cè)量了光柵上單層WS2的光致發(fā)光圖像,如圖3(a)—(e)所示.隨著激發(fā)功率的提高,樣品對(duì)應(yīng)的PL 強(qiáng)度也呈線性提高.光柵上的WS2光致發(fā)光強(qiáng)度在樣品平面上并不均勻,不考慮在樣品制備過(guò)程中造成的單層WS2的裂紋對(duì)PL 掃描圖的影響,可以看到在位于光柵上相對(duì)完整的單層WS2區(qū)域,PL 強(qiáng)度沿著光柵方向呈周期性起落,并且這種周期性的光致發(fā)光強(qiáng)度分布隨著激發(fā)功率的增加而越發(fā)明顯.

利用時(shí)域有限差分方法(finite difference time domain,FDTD)模擬了亞波長(zhǎng)TiO2光柵周圍的場(chǎng)分布.圖3(f)給出了在中心波長(zhǎng)為615 nm,光譜寬度為15 nm 的平面光源下,xy平面上的場(chǎng)分布.場(chǎng)分布表明光場(chǎng)在光柵結(jié)構(gòu)中被局部增強(qiáng).通過(guò)FDTD 模擬計(jì)算得到的光柵反射場(chǎng)分布與樣品PL 強(qiáng)度的分布非常相似.這表明亞波長(zhǎng)二氧化鈦光柵對(duì)單層WS2光致發(fā)光強(qiáng)度有直接的調(diào)控,其共振模式與激子能量的耦合是造成單層WS2光致發(fā)光增強(qiáng)的主要因素.

傳統(tǒng)的學(xué)生頂崗實(shí)習(xí)管理系統(tǒng)，基于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，缺乏移動(dòng)性和便捷性，也難以實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)習(xí)位置的定位。高職院校在具體實(shí)施頂崗實(shí)習(xí)實(shí)踐過(guò)程中，普遍存在指導(dǎo)老師與學(xué)生的溝通不夠，實(shí)習(xí)學(xué)生放任自流、學(xué)生管理不到位等問(wèn)題，導(dǎo)致頂崗實(shí)習(xí)實(shí)施效果較差。

圖3 (a)—(e)不同激發(fā)功率下,樣品上單層WS2 光致發(fā)光強(qiáng)度掃描圖;(f) FDTD 模擬計(jì)算的場(chǎng)分布Fig.3.(a)–(e) Scanning image of the WS2 monolayer’s photoluminescence intensity at different excitation power;(f) field distribution of the grating calculated by FDTD simulation.

3.4 器件中單層WS2 的激子動(dòng)力學(xué)

為進(jìn)一步研究WS2光致發(fā)光增強(qiáng)的機(jī)理,在不同激發(fā)功率下,對(duì)樣品進(jìn)行時(shí)間分辨的光致發(fā)光壽命的測(cè)試,結(jié)果如圖4 所示.圖4(a)和圖4(b)分別是不同激發(fā)功率下光柵外和光柵上單層WS2的光致發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化,隨著激發(fā)功率的提高,PL 強(qiáng)度先快速衰減隨后緩慢衰減的趨勢(shì)更加明顯.通過(guò)對(duì)兩組數(shù)據(jù)弛豫過(guò)程的擬合,發(fā)現(xiàn)光柵上的單層WS2要比光柵外有更短的弛豫時(shí)間.

圖4 (a) 光柵外和(b) 光柵上的單層WS2 在最大激發(fā)功率20%—100%下的時(shí)間分辨PL 譜;(c) 光柵外和(d) 光柵上單層WS2在60%最大激發(fā)功率下的熒光壽命及擬合曲線Fig.4.Time-resolved PL spectra of the WS2 monolayer (a) outside the grating and (b) on the grating at 20%–100% of the maximum excitation power.Fluorescence lifetime and fitting curve of WS2 monolayer (c) outside the grating and (d) on the grating at 60% of the maximum excitation power.

一般來(lái)說(shuō),激子主要可以通過(guò)輻射復(fù)合、激子-激子湮滅、多激子湮滅的方式復(fù)合[32],[33],描述激子弛豫過(guò)程的速率方程可以寫成

其中N為激子密度,α和β分別為雙激子-雙激子湮滅率和激子-激子湮滅率,γ是單個(gè)激子輻射復(fù)合率.當(dāng)激子受到外部環(huán)境的調(diào)控,輻射復(fù)合率增加時(shí),激子發(fā)射強(qiáng)度得到增強(qiáng),同時(shí)由(1)式可以看出激子的弛豫過(guò)程也會(huì)加快.

以60%最大激發(fā)功率激發(fā)下得到的數(shù)據(jù)為例,圖4(c)和圖4(d)為在60%最大激發(fā)功率下光柵外單層WS2和光柵上單層WS2熒光壽命散點(diǎn)圖及其擬合曲線.通過(guò)擬合可以得到光柵外的單層WS2的弛豫時(shí)間為1.81 ns,而光柵上單層WS2的弛豫時(shí)間為1.73 ns,光柵上單層WS2的PL 強(qiáng)度衰減明顯快于光柵外單層WS2.

在單層WS2中,電子和空穴被泵浦光激發(fā),隨后弛豫為激子.這些激子要么通過(guò)發(fā)射光子進(jìn)行輻射復(fù)合,要么通過(guò)多激子湮滅和激子-激子湮滅等多體散射方式進(jìn)行非輻射耗散[32,33].由于單層WS2的PL 峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)在615 nm,這與光柵的共振模式強(qiáng)烈耦合,在Purcell 效應(yīng)的作用下,提高了弛豫過(guò)程中輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,加快了激子輻射復(fù)合的速率,激子的能量以輻射復(fù)合的方式快速釋放,使得單層WS2的熒光壽命減少,同時(shí)以非輻射方式復(fù)合的激子的比例大大降低,進(jìn)而增強(qiáng)了PL 強(qiáng)度.

3.5 單層WSe2 的吸收共振PL 增強(qiáng)

單層WSe2與所設(shè)計(jì)的亞波長(zhǎng)二氧化鈦光柵組合結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡圖如圖5(a)所示,虛線區(qū)域即為WSe2單層.分別選擇圖5(a)中5 個(gè)不同的點(diǎn)位研究其PL 特性,其中兩個(gè)點(diǎn)位于光柵上的單層WSe2上,兩個(gè)點(diǎn)位于光柵外的單層WSe2上,還有一個(gè)點(diǎn)位于沒(méi)有WSe2的光柵上.圖5(b)給出了在激發(fā)功率為90 μW 的600 nm 激光激發(fā)下,不同位置處的光致發(fā)光光譜.對(duì)于相同區(qū)域不同位置的WSe2有著基本相同的PL 譜,這表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可靠的.與光柵結(jié)構(gòu)外的單層WSe2相比,光柵結(jié)構(gòu)上的單層WSe2的光致發(fā)光強(qiáng)度提升了1 倍.為了排除光柵結(jié)構(gòu)對(duì)光致發(fā)光信號(hào)的干擾,測(cè)量了沒(méi)有單層WSe2的光柵結(jié)構(gòu)的信號(hào),如圖5(b)中紫色曲線所示,信號(hào)在該位置處完全消失,說(shuō)明光致發(fā)光的信號(hào)完全來(lái)自于WSe2單層.

圖5 (a) 光柵上單層WSe2 樣品光學(xué)顯微鏡圖像以及選取的5 個(gè)測(cè)試位置;(b) 樣品中5 個(gè)不同位置處PL 信號(hào);(c) 光柵結(jié)構(gòu)與激發(fā)光耦合示意圖Fig.5.(a) Optical microscope image of the WSe2 monolayer on the grating and the five test locations selected;(b) PL signals at 5 different locations;(c) schematic diagram of the grating coupled with excitation light.

增強(qiáng)薄膜吸收的基本原理是減少薄層的反射和透射,通?？梢酝ㄟ^(guò)引入光共振在吸收層產(chǎn)生增強(qiáng)的局部電磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn).根據(jù)耦合模理論(coupled mode theory,CMT),與單側(cè)入射波耦合的單個(gè)諧振子的演化方程為

其中ω0是共振模式的振動(dòng)頻率,γ0是內(nèi)部損耗的非輻射衰減率,γ1和γ2分別為正向和背向的衰減率,s1+為入射波,s1?和s2?分別為反射波和透射波,κ1和κ2為耦合系數(shù).定義吸收率A為

其 中s1?=e?jβd(?s1++κ1a) 和s2?=e?jβdκ2a分別為反射波和透射波,e?jβd為薄吸收層中的相移.求解(3)式和(4)式可以得到洛倫茲線型吸收為[34]

由 (4)式可知,在共振頻率ω0處,將外部輻射損耗與內(nèi)部損耗相匹配,可使吸收達(dá)到最大.

在本研究中,WSe2單層的光致發(fā)光增強(qiáng)機(jī)理與WS2單層不同,WSe2的激子能量遠(yuǎn)離光柵結(jié)構(gòu)散射峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng),但是由于激發(fā)光的波長(zhǎng)與光柵的散射峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)相當(dāng),激發(fā)光與二氧化鈦光柵共振模式的耦合使得WSe2單層與激發(fā)光相互作用增強(qiáng)[35],WSe2單層光吸收增強(qiáng),從而提高其光致發(fā)光強(qiáng)度,其原理示意圖如圖5(c) 所示.

4 結(jié)論

綜上所述,本文合理設(shè)計(jì)了亞波長(zhǎng)二氧化鈦光柵,在光柵與單層TMDCs 的耦合結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了光致發(fā)光增強(qiáng).當(dāng)光柵周期為510 nm,寬度為128 nm,高為73 nm 時(shí),單層WS2的激子能量與光柵的共振模式耦合,通過(guò)Purcell 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了單層WS2的光致發(fā)光增強(qiáng),同時(shí)通過(guò)激發(fā)光波長(zhǎng)與光柵諧振模式的耦合,可以實(shí)現(xiàn)單層WSe2的光致發(fā)光增強(qiáng).本文的研究結(jié)果為介質(zhì)結(jié)構(gòu)與二維材料復(fù)合體系的實(shí)際應(yīng)用提供了一種新方案,對(duì)設(shè)計(jì)二維材料的高量子效率光電探測(cè)器和超薄高效太陽(yáng)能電池等應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義.感謝北京大學(xué)物理學(xué)院何霄博士和黨郅博博士的討論與幫助.