银纳米线/二硫化钼复合结构中表面等离激元与激子相互激发和耦合的机制及其在纳米光电子器件的应用研究

The advantages of Ag nanowire/monolayer MoS2 hybrids in circumventing the optical diffraction limit and the novel optoelectronic properties can make them as ideal candidates for the realization of integrated photonic and electronic devices at nanoscale. This project will investigate the new phenomenon and physical mechanisms of plasmon-exciton excitation, coupling and propagation process. The goal is to clearly understand the intrinsic mechanisms of plasmon-exciton excitation and coupling in the hybrids system. The selective principles of plasmon-exciton coupling for different modes will be obtained. The propagation characteristics of plasmon-exciton coupled modes and the effect of substrate or spacer on the propagation properties will be deeply understand. We will study the control of surface plasmon propagation through electrical gating. In addition, improving the performance of MoS2 transistor by surface plasmon enhanced fields will be investigated. This project will provide valuable results for the design and optimization of nano-optoelectronic devices, and play an important role in achieving highly integrated optoelectronic chips, which will have great influence on national information industry.

银纳米线/二硫化钼复合结构充分利用表面等离激元在突破光学衍射极限方面的优势，以及单层二硫化钼二维材料新奇独特的光电特性，为光子器件的微型化、纳米尺度上光电子器件的完美结合奠定基础。本项目重点研究该复合结构中表面等离激元与激子相互激发、耦合、传输的新现象和新问题，旨在弄清表面等离激元与激子相互激发、耦合的物理过程和内在机制；得到不同表面等离激元模式与几种激子模式之间选择性耦合的规律；深刻认识等离激元－激子耦合模式的传输特性；理解不同衬底或间隔层厚度对等离激元－激子耦合模式传输特性的影响；实现通过外加门电压的电学方法调控表面等离激元传输特性；利用表面等离激元的场增强效应，有效提高二硫化钼晶体管的光电性能。本项目对于纳米光电子器件的设计和优化、大规模集成光电芯片的实现，以及我国信息产业的发展意义重大。

银纳米线/二硫化钼复合结构可以充分利用表面等离激元对光场的强束缚特性和长程传播特性，以及二维材料的新奇光电特性，为光子器件的微型化、新型光电子器件的设计和构建提供有利条件。本项目主要研究该复合结构中表面等离激元与激子相互激发耦合的新现象和特性，两者耦合行为对于表面等离激元传输特性的影响。研究发现表面等离激元可以直接耦合激发激子，激子也可以直接耦合到纳米线的表面等离激元并且沿着纳米线进行传输，从光谱信息可以得到不同条件下两者的耦合系数。由于等离激元耦合激发二硫化钼激子这一过程会造成额外的能量损耗，使得复合结构中表面等离激元的传输长度降低。为了减小能量损耗，我们采用石墨烯替代二硫化钼。实验发现银纳米线与石墨烯之间的相互作用不仅可以减小欧姆损耗，还可以抑制等离激元杂化模式向衬底的辐射损耗，从而有效降低能量损耗。仅仅引入单原子层厚度的石墨烯就可以将表面等离激元的传输长度提高约2μm！我们进一步研究了不同衬底对几种等离激元杂化模式的作用。发现硅衬底与纳米线之间的相互作用更强，等离激元模式的杂化和劈裂程度更大，从而影响到模式的场分布，使得等离激元的能量传输损耗得到了有效降低。该结果显示出硅衬底在支持高阶等离激元杂化模式方面的明显优势。此外，我们研究了较粗银纳米线的横向高阶模式的偏振依赖性和尺寸相关性，该模式随纳米线直径的增加出现红移现象。. 以上研究成果对于合理设计和优化二维材料相关的纳米光子器件，提高器件的耦合效率方面提供了重要的实验依据和理论支持。表面等离激元的能量传输损耗能否得到有效降低在很大程度上决定了纳米光子器件能否进行实际应用。石墨烯对于表面等离激元传输特性影响的研究，为人们提供了一种行之有效的减小能量损耗的方法。硅衬底在降低高阶等离激元模式的传输损耗方面的研究工作，对于在同一基底上实现纳米光子器件与电子器件的联姻有着重要的意义。