用于纳米光学的MoS2和WS2半导体薄膜

近似原子般薄层的半导体，如二硫化钼（MoS₂）和二硫化钨（WS₂），是颇具前途的纳米级光子设备的材料。这些接近二维的半导材料支持所谓的激子，即绑定的电子-空穴对，它们可以沿着材料的薄平面垂直排列。

激子是绑定的电子-空穴对，可以与电荷、自旋和声子相互作用。这种相互作用的范围表明，激子可能预示着基于纳米级光子学和光电子学的新一轮设备。

（图片来源：David L. Chandler/MIT News Office）

来自荷兰爱因霍芬科技大学（Eindhoven University of Technology）的Rasmus Godiksen在他的博士论文中，通过探索二硫化钼和二硫化钨等超薄半导材料中激子的潜力，研究了原子级薄半导体中的激子行为，重点是发射的光。这些半导材料非常薄，可以被近似为二维材料。因此，实际上，Godiksen研究了二维材料中的激子。

首先，Godiksen和他的合作者表明，二维激子对其纳米环境非常敏感。使用光致发光（PL）成像技术，他们测量了由于电荷转移到半导体的荧光波动。这种波动在金属薄膜上的WS₂单层的几十微米范围内是空间相关的。

由于来自陷阱状态的电荷波动（陷阱状态是指捕获受激载流子，如电子、空穴和激子的状态），它们遵循幂律统计，发射强度、寿命和激子-三子比率同时变化。幂律统计是诱捕和解除诱捕激子的指标，所以这提供了诱捕状态的证据。

二硫化钨中的激子在谷地方面也有一个自由度，它将自旋极化与动量方向相耦合。带状结构中的谷地可以用圆偏振光来探索。激发或检测一个谷底的激子可以用于信息技术。为了解释二硫化钨和二硒化钨几层中自旋谷极化的对比，Godiksen使用了与层和温度有关的圆极化PL测量。这将它们的对比性极化与它们的传导带最小值的不同动量联系起来。

（图片来源：Rasmus Godriksen/Eindhoven University of Technology）

通过改变WS₂双层的距离，激发的增强增加了激子与激子的湮灭，导致更高的极化。Godiksen的研究了使用硅纳米天线来进一步增强圆极化光与谷极化激子的相互作用。结果表明，晶体硅纳米盘在近场保留了光的圆偏振，这是额外增强谷地偏振发射的需要。

Godiksen的成果推进了对激子与电荷、自旋和光子相互作用的理解，对使用MoS₂和WS₂原子级薄半导体的一系列纳米光子设备有影响。单光子源对量子计算很有意义，分子传感器可以将灵敏度提高到单分子水平，而谷光器件可以为基于谷光极化的新一代电子器件铺平道路。

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