在集成光子器件領(lǐng)域，二維半導(dǎo)體材料由于具有獨(dú)特的激子發(fā)光特性、優(yōu)異的機(jī)械性能、高導(dǎo)熱率和載流子遷移率等，在可集成光源器件上展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。尤為重要的是單層二維半導(dǎo)體具有原子級(jí)的平整度且沒有懸掛鍵，因此易于與其他材料以范德華力實(shí)現(xiàn)異質(zhì)集成，有效地避免了晶格失配問題，為高集成度、高性能的光源器件設(shè)計(jì)提供了新平臺(tái)。然而，當(dāng)二維半導(dǎo)體材料的厚度降至原子級(jí)時(shí)，材料與光場(chǎng)的相互作用很弱，發(fā)光效率受限。另外精確控制二維半導(dǎo)體中激子發(fā)光的波前仍面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，克服原子級(jí)厚度的二維半導(dǎo)體材料發(fā)光效率受限的問題，并精確控制其中激子發(fā)光的波前，是實(shí)現(xiàn)基于二維半導(dǎo)體的波前調(diào)制的光源器件的關(guān)鍵科學(xué)問題。

針對(duì)上述科學(xué)問題，中國科學(xué)院蘇州納米所張興旺團(tuán)隊(duì)報(bào)道了單層二硫化鎢（Tungsten Disulfide,WS2）與氮化硅光子晶體平板的異質(zhì)集成的渦旋光源器件（圖1）。該方案不僅利用光子晶體平板中的對(duì)稱保護(hù)的連續(xù)域的束縛態(tài)（Bound States in the Continuum，BIC）能帶具有的高品質(zhì)因子的光學(xué)諧振，顯著提高了單層二硫化鎢的發(fā)光效率，還巧妙地運(yùn)用光子晶體能帶結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫再|(zhì)實(shí)現(xiàn)渦旋的相位調(diào)制。另外，光子晶體結(jié)構(gòu)無器件中心設(shè)計(jì)巧妙地規(guī)避了對(duì)準(zhǔn)偏差導(dǎo)致的問題。該工作在理論和實(shí)驗(yàn)上證明了，通過激子與氮化硅光子晶體中BIC點(diǎn)附近的模式近場(chǎng)耦合，成功地調(diào)制了單層二硫化鎢激子發(fā)光的波前相位，并且受調(diào)制的螺旋相位與自旋鎖定，實(shí)現(xiàn)了激子發(fā)射的自旋—軌道角動(dòng)量鎖定的渦旋光源，為二維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)光光源器件提供了全新的理論與實(shí)踐框架。

圖1. 基于單層二硫化鎢與氮化硅光子晶體異質(zhì)集成的自旋—軌道鎖定渦旋光源原理示意圖

該工作以Spin-locked WS2 vortex emission via photonic crystal bound states in the continuum為題發(fā)表在Advanced Materials上。中國科學(xué)院蘇州納米所博士后夏夢(mèng)為論文第一作者，張興旺研究員為論文通訊作者，該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、蘇州市科學(xué)技術(shù)局、江蘇省卓越博士后計(jì)劃等項(xiàng)目的支持，同時(shí)也得到了中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）、納米加工平臺(tái)的支持。

來源：中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所