连续谱束缚态增强光与二维材料相互作用的实验研究

Two dimensional (2D) materials, consisting of limited layers of atoms, have unique physical characteristics. However, due to the limited thickness, the interaction of light and 2D materials is insufficient: the light cannot be effectively absorbed as it traverses the limited scale of 2D materials, which hinders the application of 2D materials in optics and photoelectrics. Optical bound states in the continuum (BIC) has drawn remarkable attention in recent years, theoretically, the resonant cavities based on BIC have the quality factor (Q) of the infinite, thus BIC based resonant cavities increase the electrical field dramatically. This program aims to design and fabricate the 2D materials hybrid structure, making use of the BIC of the hybrid structure, the interaction of the light-2D material is expected to be strengthened. Furthermore, the BIC based monolayer MoS2 visible lasing actions and monolayer MoTe2 infrared lasing actions, and the BIC strengthened second-harmonic-generation in monolayer WS2 will be realized.

二维材料在某个尺度仅具有原子级厚度，这赋予了二维材料独特的物理特性，但也使得二维材料难以与光发生充分的相互作用，光很容易穿过二维材料而无法被高效率地吸收转化，从而限制了二维材料在光学、光电等领域的应用。光学中的连续谱束缚态是近年来的研究热点，理想情况下，基于连续谱束缚态的谐振腔品质因子（Q值）可达正无穷，因此，基于连续谱束缚态的谐振腔可以显著地增强腔内的电场强度。本课题拟设计和加工含有二维材料的周期性复合微结构，利用微结构中的连续谱束缚态，使得结构中的二维材料与光发生充分的相互作用。以此为基础，我们将实现基于连续谱束缚态的单层MoS2可见荧光受激激发和单层MoTe2红外荧光受激激发，以及实现基于连续谱束缚态增强的单层WS2倍频非线性效应。

光与物质相互作用是揭示材料物理特性的重要手段，二维材料具有新颖的光学特性，然而光容易穿过二维材料儿时得其相互作用较弱，这限制了二维材料在光学领域的基础研究和应用。本项目中，研究团队尝试通过微纳加工手段，克服了常规普通介电材料如蒸镀及溅射甚至原子层沉积工艺对二维材料的损伤，实现了基于有机高分子光刻胶的一维/二维周期维纳结构光子晶体和代表性二维材料如过渡金属硫化物复合结构。结果表明，在周期性结构光子晶体的作用下，光与二维材料的相互作用表现出一定程度的增强，典型的二维材料如单层WS2过渡金属硫化物的荧光光谱实现了最高11倍的增强，典型的二维材料如单层MoS2的拉曼光谱实现了最高5.5倍的增强，荧光光谱和拉曼光谱的峰位未见明显变化，表明在复合结构中二维材料保持了原本的结构和物理特性。虽然以上结果表明周期性光子晶体确实能够增强光与二维材料的相互作用，然而其增强倍数低于预期低。通过对结构中非理想因素的分析，解释了复合结构增强倍数与预期的差异，认为结构精度和二维材料表面效应是影响光与材料相互作用、荧光光谱和拉曼光谱的重要因素。另外，通过光与二维材料的相互作用，研究团队实现了通过光与二维材料相互作用判断弥散相二维材料取向分布的方法和相关算法，通过拉曼光谱实现了对二维TaS2材料电荷密度波的观测，已发表学术论文四篇，投稿中一篇，提交申请专利一篇，被邀请参加学术会议两次。