重塑二硫化鎢材料下方結構，大幅強化光學性能
單層原子看似薄弱，無法與光進行有意義的互動，但二硫化鎢這類材料正重塑奈米光子學可能性。研究人員最近找到新方法將二硫化鎢單分子層與米氏空腔諧振器耦合，大幅強化下一代光子技術關鍵材料的光學性能。
二硫化鎢（WS2）於半導體領域擁有關鍵物理特性：類似石墨烯的二維層狀結構但具備直接能隙，還可以透過非線性光學效應產生新顏色的光，因此成為下一代光子技術的優異光電材料。
然而原子級的二維薄度也產生根本性挑戰，即光與材料互動的機會有限，因此光子發射和光頻率轉換過程通常很弱，除非周圍光學環境經過精心設計以增強相互作用。
根據最近發表在《先進光子學》的一篇新研究，科學家提出新解決方法，重點不是改變二維材料本身，而是重塑材料下方結構。
研究人員建立一種混合系統，將單層二硫化鎢舖在蝕刻於高折射率碲化鉍（Bi₂Te₃）晶體的米氏空腔（Mie voids）上方，證明這種配置明顯增強光發射與非線性光訊號，同時能對局部光學模式進行直接空間成像。
傳統介電奈米共振器將光限制在矽等固體材料內，容易使光被鎖在內部，如果基質材料還吸收光，共振效果就會減弱，難與外部強光場發生交互作用，大幅降低感測靈敏度或非線性光學效率。
新方法不將光困在固體結構內，而是限制在極高折射率材料雕刻的微小氣腔內，空氣-電介質界面強烈反射使光在腔內循環，這種設計能將光場集中在空氣腔體內部及靠近腔口的位置，好處在於可調整腔體尺寸來調諧共振波長，即使周圍材料強烈吸收光線，該設計仍仍能保持良好效能，碲化鉍對傳統固體共振器來說並不理想，但基於此架構表現良好，
研究人員測量二硫化鎢的光致發光，同時改變空腔深度，當腔諧振與二硫化鎢發射帶重疊，光致發光強度增加約 20 倍。
新方法有望推動非線性光生成、表面增強感測、基於二維半導體構成的可程式化光子系統進展，潛在應用包括超薄光電元件。
新論文發表在《Advanced Photonics》期刊。
（首圖來源：AI 生成）