基于超材料纳米结构单层二硫化钼发光特性及谷自由度的操控研究

Monolayer molybdenum disulfide (MoS2) is a direct band gap semiconductor demonstrating some specific properties, such as valley degree of freedom. These specific properties make it have potential applications in energy batteries, super thin light-emitting devices, and valleytronic devices. Recently, increasing attentions have been paid to enhancing photoluminescence of MoS2 as well as tuning the valley degree of freedom..Here, we propose a new project to investigate the photoluminescence enhancement and the manipulation of the valley degree of freedom in MoS2 with metamaterials. In our project, we will establish the fundamental interaction mechanism between metamaterials and monolayer MoS2, which is helpful to discovery the underlying physics of photoluminescence enhancement of monolayer MoS2 with metamaterials. Moreover, a series of chiral metamaterial nanostructures will be employed to tune the circular-polarized photoluminescence of monolayer MoS2, which is dependent on the valley degree of freedom. .This project paves the way for exploring the underlying physics of manipulation of photoluminescence and valley degree of freedom of monolayer MoS2 with metamaterials. It also provides the instructions for designing specific functional valleytronic devices, which is great beneficial to nanophotonics and valleytronics.

研究发现单层二硫化钼的直接带隙及谷自由度等新颖特性使其在能源电池、极薄发光器件及新型光量子器件等方面具有广阔的应用前景。如何调谐及操控单层二硫化钼的发光特性及谷自由度是纳米光电子领域和谷电子学的研究热点。 . 本项目尝试利用超材料纳米结构进行单层二硫化钼发光特性增强及谷自由度操控的研究。主要研究内容包括：建立超材料纳米结构与二硫化钼的相互作用机制，探索超材料增强二硫化钼发光特性的物理机理；利用手性超材料纳米结构调控单层二硫化钼的谷自由度，以实现单层二硫化钼圆偏振光致发光的操控。 . 本项目的顺利实施将为建立超材料与单层二硫化钼的相互作用机制和探清影响单层二硫化钼谷自由度的主要因素提供理论依据，为新型光量子器件的实现奠定坚实的基础，对纳米光子学和谷电子学的发展具有重要意义。

项目主要研究了利用超材料纳米结构操控单层二维材料的光致发光特性及谷自由度，旨在揭示纳米结构与二维材料间的相互作用机理。项目执行4年来，从以下几方面完成了项目的研究内容和目标。(1)建立了超材料纳米结构光谱及近场电磁场分布特征的仿真模型，特别从点群理论出发建立了旋转对称纳米结构的高阶光学谐振模式和旋转对称性之间的关系，为用于单层二硫化钼超材料发光特性及谷自由度操控纳米结构的设计提供了理论基础。(2)制备了非手性超材料纳米结构，并用于单层二硫化钼发光特性的操控，表征了超材料纳米结构对单层二硫化钼光致发光的增强效果；制备了二维和三维的手性超表面，并用于单层二硫化钼谷自由度的操控，并表征了其在左旋和右旋圆偏振光入射条件下，不同的光致发光响应。(3)通过测试分析时分辨光致发光谱、电磁场仿真结合远场辐射衰减率模型，阐明了纳米结构表面等离激元与单层二维材料激子间的耦合机理。(4)通过自组装的方式制备了三维光子晶体，并揭示了三维光子晶体带隙、局域增强电场和光子态密度对单层二硫化钼发光的影响，实现了光子——激子之间的强耦合(strong photon-exciton coupling)；并实现了利用机械外力进行调谐三维光子晶体带隙并调控单层二硫化钼发光的超薄动态发光器件。(5)项目还研究了利用超材料纳米结构操控单层二硫化钼的非线性光学效应，利用深度学习进行适用于单层二硫化钼发光特性操控超材料纳米结构的设计等工作。项目的研究成果为实现超薄的微型动态发光器件和超高清动态显示器件等提供了实验基础和理论依据。