过渡金属硫化物单层薄膜激子和微腔的相互作用研究

The need for display, lightening and quantum information procession in the modern society enables the semiconductors with prefect photonic properties to be the research focus. The transition metal dichalcogenides (TMDs) monolayers have strong light-matter interaction, novel spin physical mechanism, perfect flexibility, so they are most potential materials for next generation photonics. How to improve the optical device properties based on transition metal dichalcogenides (TMDs) monolayers is the important research direction of information photonics. In this proposal, we plan to study the interaction between transition metal dichalcogenides (TMDs) monolayers and Fabry-Perot microcavity, explores how the coupling between the monolayer excitons and the cavity photons affect the optical properties and valley pseudospin. We aim to reveal new physical mechanism and effects on the basis of improving monolayer crystal quality and the microcavity structure, design and develop novel nano photonics devices and spin photonics devices based on the strong coupling between the transition metal dichalcogenides (TMDs) monolayers and optical microcavity. We study the coupling between the transition metal dichalcogenides (TMDs) monolayers hybrid structures or hetero-structures and the microcavity, targeting the nonlinear optical devices with high efficiencies and spin logic devices. This proposal could be used to provide guidance for next generation semiconductor optics in the experiment aspects.

现代社会对于显示、照明、量子信息处理的需求使得发光性能优异的半导体材料成为人们的研究热点。过渡金属硫化物单层薄膜具备强的光和物质相互作用、新型的自旋能谷锁定机制、良好的柔韧性等特点，成为下一代光子学领域极具潜力的材料之一。如何提高基于单层薄膜器件的光子学性能是信息光子学的重要研究方向。在本项目中，我们利用法布里-珀罗微腔和过渡金属硫化物单层薄膜的相互作用，研究微腔对单层薄膜激子发光特性和能谷赝自旋的调控。在优化单层薄膜材料质量和微腔结构的基础上，揭示光场调控和单层薄膜相互作用的新原理和新效应，设计和开发过渡金属硫化物单层薄膜激子和微腔强耦合基础上的新型纳米光子学器件和自旋光子学器件。研究单层薄膜杂化结构、异质结构及其和微腔的耦合，追求高效的非线性光学器件或自旋光子逻辑器件，为下一代半导体光子学的发展起到实验的借鉴和指导意义。

过渡金属硫化物单层薄膜是一种新型的超薄半导体材料，在光子学、光电子学的研究中引起了广泛的兴趣，是半导体物理、光学中一个重要的研究前沿热点。特别是过渡金属硫化物单层薄膜具有两个简并的能谷，能谷的调控在量子信息等领域具有重要的应用前景。但是目前过渡金属硫化物单层薄膜和新型微腔、光子晶体、有机半导体的结合还有一些问题需要研究。本研究项目针对过渡金属硫化物单层薄膜激子开展了下列研究内容：1.过渡金属硫化物单层薄膜MoS2激子低温下交换相互作用导致的自旋劈裂调控，利用激光泵浦功率调控了激子自旋劈裂直到18 meV，并且用理论进行了模拟。2. 过渡金属硫化物单层薄膜WS2激子油酸优化，把激子荧光发光信号提高了一个数量级，减小了激子线宽，并且调控了激子能级（蓝移107 meV），进一步优化了WS2/MoS2异质结层间激子的发光性能。3. 实现了过渡金属硫化物单层薄膜WS2和光子晶体的耦合，观测到了激子和光子晶体光学模式之间偏振依赖的传输现象，实现了激子长距离的扩散。4. 实现了过渡金属硫化物单层薄膜WS2和各向异性有机物半导体之间的耦合，观察到了激子室温下荧光的线偏振发射，通过控制有机物半导体的厚度，实现了激子室温下荧光信号偏振态的调控。5. 研究了过渡金属硫化物单层薄膜WS2和刻蚀周期性结构的耦合，观测到了周期性结构和单层薄膜激子的耦合，并且实现了偏振依赖的能带耦合和调控。6.实现了过渡金属硫化物单层薄膜WS2和微腔的强耦合，单层薄膜激子和光学微腔的拉比分裂高达26 meV。7.我们观测到了有机物半导体微腔和液晶微腔中的奇特Rashba-Dresselhaus能带，实现了过渡金属硫化物单层薄膜激子和这些能带的耦合。我们的初步成果可以在解决过渡金属硫化物单层薄膜激子发光性能、激子和新型光学模式、光学微腔的耦合中有重要意义，可在探索过渡金属硫化物单层薄膜激子能谷量子调控中发挥重要作用。