柔性等离激元对二维层状半导体光电性能的调控研究

Two-dimensional transition-metal dichalcogenides (2D TMDs) such as molybdenum disulfide (MoS2) has direct bandgap in the visible wavelengths, high carrier mobility and tunable bandgaps. They represent new opportunities in the next generation microelectronic and optoelectronic technology. Plasmonics can enhance the electric field of light in the nanoscale and it becomes an effective method to tune the optoelectronic properties of 2D TMDs with proper shape, size, inter-particle distance and dielectric environment. But there still lacks a measure for continuous and real-time tuning of photoluminescence of 2D TMDs devices. The applicant has developed a unique large-area, stretchable and strain tunable plasmonic device that can be coupled with 2D TMDs such as MoS2 at the right wavelength. The MoS2 photoluminescence can be enhanced by the plasmonics at zero strain or be tuned in real-time if the plasmonics are stretched with different strains. This program will lay a solid ground for performance enhanced, continuously tunable 2D TMDs optoelectronic devices. The applicant and coworkers will work on the device fabrication, optical characterization, mechanical and optical modelling to study the photoluminescence enhancement and tuning for 2D TMDs.

以二硫化钼为代表的二维过渡金属硫族化合物具有在可见光波段的直接电子带隙，高迁移率，能带可调控等特点，是新一代微电子和光电子技术发展的重点。等离激元结构由于能在纳米尺度增强电场而成为调控纳米材料发光性质最有效的手段之一。理论预测等离激元结构的形状，大小，间距和环境介电常数都可以对过渡金属硫族化合物发光产生调控，但目前还缺乏连续实时调控发光效率的方法。申请人发展了制备大面积、柔性、可调控等离激元结构的相关技术，可以应用于二硫化钼光电器件，不仅可以在无应变加载下增强其发光效率，还可以在连续应变加载下，通过调控等离激元的谐振性质而连续实时的增强或减弱二硫化钼的发光性能。这将对真正应用大面积连续可调的二硫化钼光电器件打下基础。本项目将从制备器件，光学表征，力学和光学理论计算几个方面实现对过渡金属硫族化合物发光性质的增强和调控

课题负责人针对柔性光子器件所存在的四个难题展开了研究，这包括（1）纳米结构制备方法局限在电子束曝光或者聚焦离子束刻蚀等耗时昂贵的设备，无法低成本制备大面积有用的器件面积，（2）光子器件通常只能制备在刚性衬底或者可弯曲的塑料衬底，而无法实现柔性可延展的性质并对光学性质产生调控，（3）基于光子传感的应用较难，数据检测通常需要精密光谱仪的应用且只能在器件上完成测量而无法在人体上集成应用，（4）传统纳米光学结构设计需要仿真并迭代优化复杂结构参数达到理想光谱，通常需要耗费大量时间和计算资源。本项目主要展开的研究内容和成果包括（1）首先创新性的通过纳米软压印和纳米转移等方法，大面积，低成本的制备柔性可拉伸等离激元器件，实现了其等离激元谐振性能的大范围可调控性及简易传感应用，代表性工作包括采用镁金属作为等离激元材料，通过与水发生可控化学反应而实现可调控等离激元器件，并应用于环境湿度传感和皮肤汗液流失的可穿戴器件，（2）对二维材料在柔性器件的应用进行了调研，对石墨烯异质结光电器件和二维半导体材料柔性器件近年来的工作进行了高水平的论文综述，（3）提出了人工神经网络的深度学习方法首先对等离激元传感器件进行了正向模拟，并实现了物理结构色的高效逆向设计，解决了纳米光学器件领域在计算和设计上耗时低效的问题。在课题执行期间，课题组共发表了Advanced Materials两篇，Small一篇，Nano Research一篇，Optical Materials Express一篇。课题负责人还基于前期高灵敏度皮肤液晶温度传感器件的工作，成功申请和授权两项国家专利，并申请二维材料器件专利一项。这一系列基于等离激元和液晶材料光学传感的柔性器件论文和专利成果不仅推动纳米光学研究的功能性和实用化，也进一步缩小了基础科研与技术应用之间的差距。