二维材料的光力学性质及其应用研究

2D materials are promising candidates for the future electronic devices, due to their excellent properties. Recently, monolayer WSe2 is also considered as an ideal optomechanical material. In a typical optomechanical device, the radiation pressure is used to detect or control the mechanical resonator. The optomechanical coupling is dependent on the dielectric constants and photoelastic tensors, which describe the response of dielectric function under the external strain. Usually, the optomechanical coupling parameters is obtained from experiments, which is impractical for emergent materials, such as 2D materials. In this project, the dielectric and photoelastic properties of the 2D materials and their heterojunctions, tunable by the thickness of the film, will be investigated by the first-principles firstly. Next, the Heisenberg equation of motion will be used to handle with the optic absorption of the corresponding optomechanical devices with the help of our own OMPY soft package. In addition, the optomechanical device can also be used to detect the dielectric properties of materials. The main results of the current project should be much useful to help us get a better grasp of the optomechanical devices based on 2D materials and enhance their performance, so well as to realize hybrid controllability by the light, electric and mechanical methods.

二维材料具有优良的电子性质，有希望被用于多种电子器件。此外，最新研究表明，单层WSe2还是理想的光力学共振腔材料。光力学器件利用辐射压对力学振子位移进行探测和操控，光力学耦合系数取决于材料的介电函数和光弹性张量，其中光弹性张量描述材料的介电函数对外加应力的响应。在光力学器件的理论研究中，光力学耦合常数一般来源于实验，而对二维材料等新兴材料，则缺乏系统的实验参数。基于此，首先，本项目将采用第一性原理方法，系统研究典型二维材料及其异质结的介电函数和光弹性张量，并探索材料厚度对介电函数和光弹性张量的影响。其次，使用自主开发的OMPY程序，采用海森堡运动方程方法求解基于二维材料的光力学器件的光学吸收特性，同时探索使用光力学方法研究材料介电性质的方法。本项目的研究将有助于设计出基于二维材料的高精度光力学器件，同时帮助实现基于光力学器件的材料介电性质检测方法，实现光电力自由度的交叉检测和调控。

本项目主要研究典型二维光电材料的电子结构、介电特性和光力学性质。过渡金属二硫化物和ɑ-磷等二维材料具有原子级别的平整度，且由于其层状特性，单层二维材料具有较小的质量，因而是良好的光力学系统的力学振子备选材料。力学振子在光场作用下会发生微小的位置移动（移动边界效应），同时会发生形变（光弹性效应），这两种效应都会影响光力学系统的特征参数。传统的光力学系统理论研究一般以Si和GaAs为研究对象，作为一类今年来新出现的材料，过渡金属和黑磷的光力学性质的实验研究较少，因而缺乏相应的实验测量参数。本项目通过第一性原理和紧束缚模型，研究了MoS2、MoSe2、WS2、WSe2等过渡金属二硫化物和ɑ-磷、ɑ-砷等VA族层状材料的拓扑电子特性、力学常数和光弹性常数，并使用多物理场耦合方法COMSOL的波动光学和固体力学模块，模拟了基于这些材料的光子晶体纳米梁结构光力学系统的光力学参数，包括光学腔和力学振子的本征频率、衰减系数、品质因子，以及光力学耦合系数等，最后我们使用课题组自主开发的OMPY软件研究了基于二维材料的光力学系统的吸收谱。本项目还研究了压缩光场和光力学腔链的吸收特性及其调控，以及基于LaOBiS2He MASnI3的光电材料的电子结构和光学特性。