我院兰胜教授课题组在利用纳米腔对异质双层材料激子动力学进行调控的研究中取得重要进展

近期，我院兰胜教授课题组在利用介质-金属混合纳米腔对异质双层材料激子动力学进行调控的研究中取得重要进展，研究成果以“Manipulating the Exciton Dynamics in a MoS₂/WS₂ Heterobilayer with a Si/Au Nanocavity”为题发表在国际权威期刊Laser & Photonics Reviews上（影响因子：11.0）。我院博士生刘诗媚为论文第一作者，兰胜教授为通讯作者，我校为第一完成单位。

二维的过渡金属硫化物（TMDC），如硫化钨（WS₂）和硫化钼（MoS₂）等，在微纳光电子器件中具有广阔的应用前景。通常，单层的TMDC（MX₂，M=Mo，W；X=S，Se，Te）是具有直接带隙、大激子结合能和强光学吸收的半导体，因而能够产生高效的光致荧光。通过两个单层TMDC堆叠形成的异质双层（HB）为我们研究二维材料系统的许多激发现象提供了契机，例如莫尔图案、自旋电子学、谷电子学和层间激子等。由于TMDC HB通常具有Ⅱ型能带结构，其中的载流子动力学主要由层间电荷转移主导，因此光生电子和空穴会弛豫到不同材料的导带底和价带顶。这种光生电子和空穴的有效分离导致了TMDC HB光致荧光的淬灭，限制了它们在发光器件中的应用。

迄今为止，研究人员提出了各种策略来抑制TMDC HB的层间电荷转移和光致荧光淬灭。原理上，TMDC HB的光致荧光可以通过衬底、应力和温度来控制。此外，很多研究成果报道了利用各种光学或等离子激元纳米腔来增强单层TMDC的光致荧光，主要依靠激发效率、量子效率和发射方向性的增强。由高折射率介电纳米颗粒和金属薄膜组成的介电-金属混合纳米腔可以同时实现增强的电场、小的模式体积和可忽略的欧姆损耗，为调控TMDC HB中激子的动力学行为提供了契机。

兰胜教授课题组利用由Si纳米颗粒和Au膜组成的Si/Au混合纳米腔成功地对嵌入纳米腔中MoS₂/WS₂ HB的激子动力学行为进行了调控。他们通过改变Si纳米颗粒的直径来调谐Si/Au纳米腔支持的等离子体共振，实现了MoS₂/WS₂ HB从光致荧光淬灭到光致荧光增强的转变。研究表明，这种调控是通过有效平衡Si/Au纳米腔引起的应力效应和普赛（Purcell）效应来实现的。更为有趣的是，他们在实验上证实，可以通过简单地增加激光功率，利用光热效应使单层WS₂激子/三子的共振靠近或远离纳米腔的等离子激元共振来实现光致荧光的调控。最终，他们在较高的激光功率下观察到高达≈187的光致荧光增强因子。该研究成果对调控TMDC HB激子动力学行为以及研发新型等离子激元器件具有重要的参考价值。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202300850