利用硅基光子纳米结构调控二维材料的发光性质

Emerging monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs) with direct bandgap brings great opportunity for multifunctional nanoscale light source. However, the light-emitting efficiency of such monolayer TMDs is generally low due to the subnanometer light-matter interaction length and defects. To enable their practical applications, new schemes are desirable to enhance their interaction with light, especially the light-emitting efficiency. On the other hand, silicon-based photonic nanostructures with low loss own novel properties such as Mie scattering and magnetic resonance, which shows great potential for controlling light emission of nanoscale emitters and for integration. Thus, this project is mainly about developing new schemes of integration of 2D materials with novel silicon-based photonic nanostructures to control the light emission properties from them. We mainly focus on the following aspects: (1) Design and fabricate new silicon-based photonic nanostructures for emission control. (2) Develop new methods of integration of 2D materials with novel photonic nanostructures and new tools to characterize the emission from the hybrid structure; (3) Explore on-chip integration of 2D materials to enable further applications for optical communication. This project will enhance our understanding of the light-matter interaction in novel 2D materials, and further facilitate the practical applications of 2D materials in various fields including on-chip optical communication, display technology and quantum photonics.

新型具有直接带隙的半导体单层过渡金属硫化物（TMDs）为发展多功能纳米级光源带来了巨大机遇。但是，由于亚纳米的光和物质相互作用距离和缺陷的存在，单层TMDs发光效率不高。为了能够实际应用这些新型材料，我们需要寻找新的方法来增强TMDs与光的相互作用，尤其是其发光效率。另一方面，低损耗的硅基光子纳米结构具有Mie散射和磁共振等优异性质，显示出很强的控制纳米级光源发光和集成的能力。因此，这个项目主要是探索利用与硅基光子纳米结构集成的方法来调控二维材料发光。我们主要研究以下三个方面：（1）设计和制备新型的硅基光子纳米结构来调控发光；（2）设计新的将二维材料集成到光子纳米结构上的方法和测量表征发光性质的手段；（3）探索将二维材料集成到芯片上以用于光通信的方法。这个项目的开展有助于加深我们对于二维材料和光相互作用机理的理解，从而有力推动二维材料在包括片上光通信、显示技术和量子光学等多方面的实际应用。

新型具有直接带隙的半导体单层过渡金属硫化物（TMDs）具有优异的光电性质，为发展多功能纳米级光源带来了巨大机遇。但是，由于亚纳米的光和物质相互作用距离和缺陷的存在限制了其发光效率，亟待发展新的方法来增强和调控TMDs与光的相互作用。本项目致力于发展新型的纳米光子结构尤其是与硅基光子学平台兼容结构来增强和调控二维TMDs与光的相互作用，从而为片上集成光源奠定基础，开拓新的路径。围绕以上目标，主要开展了以下几方面工作：（1）构建了TMDs中不同发光粒子和光子纳米结构相互作用的仿真方法和平台；（2）优化了TMDs的制备流程和转移工艺；（3）利用MoS2-GST异质结构实现了对MoS2荧光辐射的全光动态调控；（4）揭示了GeSe纳米条带中各项异性等离激元响应机制，提出了调控方法；（5）研究了如何利用等离激元的狭缝模式控制单层WS2的暗激子辐射；（6）开展了硅基波导集成基于低维材料的超快低能耗光调制器件研究。. 项目开展过程中，项目负责人以第一作者在中科院一区top期刊发表高水平论文3篇，另与他人合作发表项目相关SCI论文5篇。另外，项目负责人应英国皇家学会院士David Andrews 邀请撰写英文专著章节一章，由美国知名杂志社Academic Press出版。学术交流方面，项目负责人参加国际会议5次，作邀请报告2次，获得国际会议最佳海报奖1次。. 项目的研究成果为新型基于二维半导体的高效可调控纳米光源奠定了基础，开拓了新的路径，对于微纳光源的发展具有重要意义。下一步将继续深入开展基于硅基二维半导体片上集成光源的研究。