用於納米光學的MoS2和WS2半導體薄膜

近似原子般薄層的半導體，如二硫化鉬（MoS₂）和二硫化鎢（WS₂），是頗具前途的納米級光子設備的材料。這些接近二維的半導材料支持所謂的激子，即綁定的電子-空穴對，它們可以沿著材料的薄平面垂直排列。

激子是綁定的電子-空穴對，可以與電荷、自旋和聲子相互作用。這種相互作用的範圍表明，激子可能預示著基於納米級光子學和光電子學的新一輪設備。

（圖片來源：David L. Chandler/MIT News Office）

來自荷蘭愛因霍芬科技大學（Eindhoven University of Technology）的Rasmus Godiksen在他的博士論文中，通過探索二硫化鉬和二硫化鎢等超薄半導材料中激子的潛力，研究了原子級薄半導體中的激子行為，重點是發射的光。這些半導材料非常薄，可以被近似為二維材料。因此，實際上，Godiksen研究了二維材料中的激子。

首先，Godiksen和他的合作者表明，二維激子對其納米環境非常敏感。使用光致發光（PL）成像技術，他們測量了由於電荷轉移到半導體的螢光波動。這種波動在金屬薄膜上的WS₂單層的幾十微米範圍內是空間相關的。

由於來自陷阱狀態的電荷波動（陷阱狀態是指捕獲受激載流子，如電子、空穴和激子的狀態），它們遵循冪律統計，發射強度、壽命和激子-三子比率同時變化。冪律統計是誘捕和解除誘捕激子的指標，所以這提供了誘捕狀態的證據。

二硫化鎢中的激子在谷地方面也有一個自由度，它將自旋極化與動量方向相耦合。帶狀結構中的谷地可以用圓偏振光來探索。激發或檢測一個穀底的激子可以用於資訊技術。為了解釋二硫化鎢和二硒化鎢幾層中自旋穀極化的對比，Godiksen使用了與層和溫度有關的圓極化PL測量。這將它們的對比性極化與它們的傳導帶最小值的不同動量聯繫起來。

（圖片來源：Rasmus Godriksen/Eindhoven University of Technology）

通過改變WS₂雙層的距離，激發的增強增加了激子與激子的湮滅，導致更高的極化。Godiksen的研究了使用矽納米天線來進一步增強圓極化光與穀極化激子的相互作用。結果表明，晶體矽納米盤在近場保留了光的圓偏振，這是額外增強谷地偏振發射的需要。

Godiksen的成果推進了對激子與電荷、自旋和光子相互作用的理解，對使用MoS₂和WS₂原子級薄半導體的一系列納米光子設備有影響。單光子源對量子計算很有意義，分子感測器可以將靈敏度提高到單分子水準，而穀光器件可以為基於穀光極化的新一代電子器件鋪平道路。

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