物理學院方哲宇團隊提出自由電子束調控金屬/介質複合異質結構谷極化新方法

近日,北京大學物理學院方哲宇團隊在Nature Communications上發表了題為“Deep subwavelength control of valley polarized cathodoluminescence in h-BN/WSe2/h-BN heterostructure”的研究論文,報道了一種利用超高分辨電子束操控金屬等離激元調控低維量子材料谷極化的新方法。研究團隊通過設計結構對稱的納米天線與六方氮化硼/二硒化鎢/六方氮化硼的金屬/介質複合納米結構,利用入射電子束超高分辨的特點,精準激發金屬納米天線的圓偏振偶極電磁模式,通過近場相互作用在納米尺度實現了對低維材料谷極化的操控,利用電子束激發位點的移動在50納米內實現谷極化的“開”和“關”,以及100納米內的谷極化態反轉,為納米尺度谷電子學發展和片上集成設計提供了指導。

谷贗自旋作為與半導體材料能帶結構極值相關的內稟特性,為人們調控特定能谷中載流子行為提供了額外的自由度,有望成為新一代的信息載體。單層二維過渡金屬硫化物材料,由於其天然破缺的晶格反轉對稱性導致自旋與能谷耦合,使得人們能夠通過外加圓偏振光場選擇性的激發能谷,已在許多研究領域有着重要的應用。陰極熒光納米顯微技術作為一種非侵入性的表徵方法,具有納米尺度空間分辨率和精準的電子束激發能力,已被逐漸應用於金屬納米結構光子局域態密度表徵以及輻射光場特性研究。此外,通過薄層六方氮化硼與單層TMDs材料形成異質結也已實現對單層TMDs材料的陰極熒光探測。但對金屬納米結構與TMDs材料的複合結構還未有報道,如何在納米尺度精準表徵與操控金屬結構電磁場對單層TMDs材料中載流子行為尤其谷贗自旋的影響是目前研究的難點。

鑑於此,研究者提出一種基於納米天線的新型二硒化鎢谷極化電子束操控方法。通過在異質結上設計一些非手性的長方形納米天線,利用電子束局域激發打破對稱性,獲得納米天線圓偏振偶極電磁模式。移動電子束激發位置可改變局域光子態密度分佈,操控結構電磁場模式,並通過自主改造的收集光路對納米結構不同偏振態的遠場輻射進行表徵。

圖a 結構示意圖;圖b 陰極熒光探測系統示意圖

這種實驗方法可以在室温下就實現對單層TMDs材料能谷的近場選擇性激發,克服傳統的光學激發衍射極限。電子束激發位置的移動帶來對應的谷極化動態操控,在50納米左右的調控步長即可實現谷極化度從約15%到-10%的變化。這種深亞波長尺度的谷極化操控,可應用於介觀及量子谷電子學研究中。該工作提出的新型低維量子材料谷極化電子束操控方案,為谷電子學的研究提供了新的研究方法。同時,該工作可指導谷電子器件納米尺度集成,在邏輯運算、光電存儲及未來量子信息研究中有着重要意義,顯示了金屬等離激元在可見光納米穀電子器件上的巨大應用潛力。

方哲宇課題組的博士研究生鄭立恆和劉志鑫是文章的共同第一作者,方哲宇研究員為文章的通訊作者。該工作得到科技部國家重點研發計劃納米科技重點專項、國家自然科學基金委國家重大科研儀器研製項目等支持。

轉載本網文章請註明出處