表面等離激元光自旋調控低維納米材料熒光發射方面取得重要進展

表面等離激元是外界光激發下金屬表面自由電子集體震蕩現象，是光子和電子相互作用形成的表面電磁場元激發共振模式，可産生局域電磁場增強、共振吸收、熱電子摻雜等效應，進而實現對新型低維納米材料光激發的動态調控。beat365官方网站方哲宇課題組通過操控金屬納米螺旋結構中光的自選軌道耦合效應，實現了對單層MoS2熒光強度的動态調控，該研究成果近期發表在國際期刊ACS Nano上（ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b06834）。

低維納米材料因其獨特的電學和光學性質，是近年來研究的熱點。單層二硫化钼（MoS2）是一種典型的二維半導體材料，具有直接帶隙的光吸收和可見光波段的熒光發射，是制備光發射器件的理想材料。但單層MoS2隻有納米級的尺寸厚度，吸收和發射光子效率較低，限制了它在高性能光發射器件方面的應用和發展。此前，已有相關報道利用光子晶體、納米線等複合結構增強單層MoS2的熒光發射，但如何實現動态操控熒光發射一直是研究的難點。方哲宇研究員等人創新性地制備了螺旋結構的金納米天線，自旋光與該螺旋結構作用發生自旋軌道耦合效應，通過調控螺旋的環數、尺寸，以及激發光的強度等條件，最終獲得對近場電磁場共振模式的動态操控。由于MoS2中的激子與金納米天線等離激元相互作用會形成耦合激子（exciton-plasmon），顯著增強熒光效率，在強電磁場作用下可獲得超過10倍的熒光信号增強。在物理機理上，運用Majorana球模型對自旋軌道耦合産生的動态相位和幾何相位進行了詳細解釋和分析。最終運用該原理，實現了旋光可控的平面發光陣列，通過改變光的偏振态實現動态調控字母“PK”的明文和暗文發光。

近年來，方哲宇課題組在等離激元納米光電器件機理及應用方面取得了系列研究成果，如等離激元熱電子界面電荷摻雜及其超快光學響應（Adv. Mater. 2015；ACS Nano 2015；Adv. Funct. Mater. 2016）；以及等離激元動态調控低維納米材料光電特性（Adv. Mater. 2014；Nano Lett.2014；ACS Nano 2013；Adv. Mater., 2013）獲得納米尺度新型等離激元光電器件，等等。

新加坡南洋理工大學劉政教授為實驗的開展提供了高質量的二維材料。這項研究得到科技部重大科學研究計劃973項目、國家萬人計劃青年拔尖人才基金、基金委優秀青年科學基金、全國優秀博士學位論文基金，以及人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、2011量子物質科學協同創新中心的資助。