一种单层二维材料中能谷光子的分离方法及分离装置与流程

本发明涉及纳米光子学技术领域，特别是涉及一种单层二维材料中能谷光子的分离方法及分离装置。

背景技术：

能谷电子器件和能谷光子器件是克服传统电子器件本身发热问题的两个非常有希望的候选者。为了能够实现能谷电子器件，通常是通过能谷电子对电、磁等的不同响应来分离不同的能谷自由度，这通常是在低温下进行并且是非常具有挑战性的。

最近对于二维过渡金属硫化物的研究表明，由于时间反演对称性和空间反演对称性破缺，这些单层二维材料中简并的k和k'能谷可以对具有旋转角动量的光表现出自旋能谷锁定的光致发光和非线性现象。然而，针对该类材料的研究主要在低温下进行，这使得能谷参数的操控和信息的编码处理都非常困难，尤其是在非线性光学领域。

技术实现要素：

本发明提供一种单层二维材料中能谷光子的分离方法及分离装置，用以解决现有技术中能谷光子不容易在常温下分离的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种单层二维材料中能谷光子的分离方法，包括：

步骤1、制作纳米孔阵列；

步骤2、在所述纳米孔阵列的一表面上层叠单层二维材料薄膜；

步骤3、向所述纳米孔阵列的另一表面上入射线偏激光，所述线偏激光经所述纳米孔阵列的调制，得到自旋相反且发射方向不同的两束圆偏激光，所述单层二维材料薄膜在所述两束圆偏激光的激发下发射出自旋相反且出射方向不同的两束能谷光子，完成能谷光子的分离。

本发明的有益效果是：本发明采用纳米孔阵列辅助单层二维材料中能谷光子的分离。首先，激光入射至纳米孔阵列，经纳米孔阵列调制后作用在单层二维材料上，产生倍频的能谷光子；其次，由于纳米孔结构的局域场增强效应，单层二维材料的倍频效率大幅的提升。另外，激光通过纳米孔阵列后，由纳米孔阵列的作用，会产生两束自旋态和出射方向均不同的圆偏激光，进入并激发单层二维材料后，单层二维材料不仅产生能谷光子且自旋态不同的能谷光子的出射方向不同，该出射方向与经纳米孔阵列调制后的圆偏激光的方向对应，从而实现手性的能谷光子的分离。本发明可以在常温下对能谷光子进行操控，自由度高，能谷光子转换效率高。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述纳米孔阵列的材料为贵金属或介电材料。

本发明的进一步有益效果是：贵金属(例如金)和介电材料(例如硅)折射率大，对光调制效果好，且在空气中稳定。

进一步，所述单层二维材料薄膜的材料为过渡金属硫化物和/或类过渡金属硫化物。

本发明的进一步有益效果是：由于单层过渡金属硫化物和/或类过渡金属硫化物具有时间反演对称性和空间反演对称性破缺的性质，其简并的k和k'能谷可以对具有旋转角动量的光表现出自旋能谷锁定的光致发光和非线性现象，能谷光子转化效率高。

进一步，所述步骤2具体包括：

在衬底上生长单层二维材料薄膜，并将所述单层二维材料薄膜转移至所述金属纳米孔阵列的一表面。

本发明的进一步有益效果是：该制备方法对于制备纳米孔阵列和单层二维材料薄膜的复合结构，简单方便。

进一步，所述步骤3中，所述向所述纳米孔阵列的另一表面上入射线偏激光，具体包括：

向所述纳米孔阵列的另一表面上垂直入射线偏激光。

本发明的进一步有益效果是：将线偏激光垂直入射至纳米孔阵列，纳米孔对光引入的相位，可更好的使得从纳米孔阵列出射的激光包括两束圆偏激光。

进一步，所述纳米孔阵列包括多个各向异性的纳米孔，则所述步骤1具体包括：

根据实际所需的能谷光子出射方向，确定所述多个各向异性的纳米孔的尺寸及排布方式；

基于所述尺寸和所述排布方式，对纳米薄膜进行微纳加工，得到纳米孔阵列。

本发明的进一步有益效果是：采用各向异性的纳米孔，可以将多个纳米孔按照一定的周期排布规律进行排布，以便能得到含有预设相位且预设出射角度的激光束，激发单层二维材料后，可以得到预设出射角度的两束能谷光子。因此，在进行纳米孔制作之前，根据实际需要的能谷光子的出射方向，设计多个各向异性的纳米孔的尺寸及排布方式，进而进行纳米孔制作，实现能谷光子出射角度可控操作，即纳米孔的周期排布方式不受限制，可以根据实际需要，灵活设计。

进一步，所述纳米孔的尺寸为亚微米级尺寸。

本发明还提供一种基于上述分离方法的分离装置，包括：激光源，纳米孔阵列，以及单层二维材料薄膜；

所述纳米孔阵列与所述单层二维材料薄膜层叠设置；

所述激光源设置于所述纳米孔阵列的所述单层二维材料薄膜相对的一侧。

本发明的有益效果是：本发明采用纳米孔阵列与单层二维材料结合，用以辅助单层二维材料中能谷光子的分离，具有良好的结构紧凑性。工作过程中，首先，激光入射至纳米孔阵列，经纳米孔阵列调制后作用在单层二维材料上，产生倍频的能谷光子；其次，由于纳米孔结构的局域场增强效应，单层二维材料的倍频效率大幅的提升。另外，激光通过纳米孔阵列后，由纳米孔阵列的作用，会产生两束自旋态和出射方向均不同的圆偏激光，进入并激发单层二维材料后，单层二维材料不仅产生能谷光子且自旋态不同的能谷光子的出射方向不同，该出射方向与经纳米孔阵列调制后的圆偏激光的方向对应，从而实现手性的能谷光子的分离。该分离装置可以实现常温对能谷光子的操控，自由度高，能谷光子转换效率高。

进一步，所述分离装置还包括固定元件，用于固定所述纳米孔阵列。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种单层二维材料中能谷光子的分离方法的流程框图；

图2为图1对应的一种单层二维材料中能谷光子的分离示意图；

图3为本发明另一个实施例提供的纳米孔阵列的扫描电子显微镜sem图；

图4为本发明另一个实施例提供的纳米孔阵列辅助单层二维材料的能谷光子分离与单纯的单层二维材料能谷光子分离的转换效率对比图；

图5为本发明另一个实施例提供的线偏激光垂直入射至纳米孔阵列时能谷光子的分离效果图；

图6为本发明一个实施例提供的一种单层二维材料中能谷光子的分离装置的结构示意图。

附图中，各标号所代表的元件列表如下：

1、纳米孔阵列，2、单层二维材料薄膜，3、激光源。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

一种单层二维材料中能谷光子的分离方法100，如图1所示，包括：

步骤110、制作纳米孔阵列；

步骤120、在纳米孔阵列的一表面上层叠单层二维材料薄膜；

步骤130、向纳米孔阵列的另一表面上入射线偏激光，线偏激光经纳米孔阵列的调制，得到自旋相反且发射方向不同的两束圆偏激光，单层二维材料薄膜在两束圆偏激光的激发下，发射出自旋相反且出射方向不同的两束能谷光子，完成能谷光子的分离。

由亚波长尺寸的金属孔或介电材料孔制成的表面可以增强局域的光场，从而增强后续光与材料的相互作用，大大改善了单层二维材料中的光致发光和二次谐波的产生。

此外，由于超表面的自旋轨道耦合可以区分光子的自旋，并将自旋相关的相位延迟添加到光中，其中携带不同自旋的光可以通过梯度的相位，调控光转向不同的方向，这被称为光子自旋霍尔效应，其中，纳米孔阵列是超表面中的一种。基于此原理，通过经设计的纳米孔阵列，来操控单层二维材料中的能谷电子的非线性光学过程。因此，本实施例中，将单层二维材料和纳米孔阵列复合构成超表面，该超表面在增强能谷光子的转换效率的同时，可以使产生的不同手性的能谷光子发射向不同的方向。

具体的，本实施例采用超表面辅助单层二维材料中能谷光子的分离。首先，激光入射至纳米孔阵列，经纳米孔阵列调制后作用在单层二维材料上，产生倍频的能谷光子；其次，由于纳米孔结构的局域增强场增强效应，单层二维材料的倍频效率大幅的提升。另外，激光通过纳米孔阵列后，由纳米孔阵列的作用，自旋态不同的光子被附加上了不同的相位信息，光的相位改变，从纳米孔阵列出射的激光进入并激发单层二维材料后，单层二维材料不仅产生能谷光子且自旋态不同的能谷光子的出射方向不同，该出射方向与经纳米孔阵列调制后的圆偏激光的方向对应，从而实现手性的能谷光子的分离。如图2所示，1代表纳米孔阵列，具体图中所示的为纳米孔阵列1的垂直剖面位置，剖面上的所有纳米孔相对水平方向的偏转角大小之间成线性变化(由于剖面呈现黑色，因此纳米孔未显示出，具体可见图3中的黑色矩形孔即为纳米孔)，当线偏激光垂直入射至纳米孔阵列时，线偏激光经过纳米孔调制，得到自旋相反且发射方向不同的两束圆偏激光，两束圆偏激光进入单层二维材料，得到两束互呈手性的能谷光子，其中，α代表能谷光子束相当垂直方向的偏转角。

本实施例可以在常温下对能谷光子进行操控，自由度高，能谷转换效率高。

另外，需要说明的是，线偏激光的波段基于单层二维材料的带隙确定。

优选的，纳米孔阵列的材料为贵金属或介电材料。

贵金属(例如金)和介电材料(例如硅)折射率大，对光调制效果好，且在空气中稳定。

优选的，所述单层二维材料薄膜的材料为过渡金属硫化物和/或类过渡金属硫化物。

由于过渡金属硫化物和/或类过渡金属硫化物具有时间反演对称性和空间反演对称性破缺的性质，其简并的k和k'能谷可以对具有旋转角动量的光表现出自旋能谷锁定的光致发光和非线性现象，能谷光子转化效率高。

优选的，步骤120具体包括：

在衬底上生长单层二维材料薄膜，并将所述单层二维材料薄膜转移至所述金属纳米孔阵列的一表面。

该制备方法简单方便。

优选的，步骤130中，向纳米孔阵列的另一表面上入射线偏激光，具体包括：向纳米孔阵列的另一表面上垂直入射线偏激光。

将线偏激光垂直入射至纳米孔阵列，纳米孔对光引入的相位，可更好的使得从纳米孔阵列出射的激光包括两束圆偏激光。若将线偏激光斜射入纳米孔阵列，线偏激光经过纳米孔后，将带来额外的相位引入，可能导致入射至单层二维材料的激光对能谷光子的分离效果不好。

优选的，纳米孔阵列包括多个各向异性的纳米孔，则步骤110具体包括：根据实际所需的能谷光子出射方向，确定多个各向异性的纳米孔的尺寸及排布方式；

基于多个各向异性的纳米孔的尺寸及排布方式，对纳米薄膜进行微纳加工，得到纳米孔阵列。

采用各向异性的纳米孔，可以将多个纳米孔按照一定的周期排布规律进行排布，以便能得到含有预设相位且预设出射角度的激光束，激发单层二维材料后，可以得到预设出射角度的两束能谷光子。因此，在进行纳米孔制作之前，根据实际需要的能谷光子的出射方向，设计多个各向异性的纳米孔的尺寸及排布方式，进而进行纳米孔制作，实现能谷光子出射角度可控操作，即纳米孔的周期排布方式不受限制，可以根据实际需要，灵活设计。

优选的，纳米孔的尺寸为亚微米级尺寸。

例如，基于超表面金属纳米孔阵列辅助的单层二维材料中能谷光子分离方法包括：位于下层的金属纳米孔阵列和位于上层的单层二维材料薄膜，金属纳米孔阵列和单层二维材料薄膜层叠设置；激发光垂直入射至金属纳米孔阵列，进而作用在单层二维材料上，单层二维材料被激发出能谷光子。

其中，如图3所示，金属纳米孔阵列具有多个单元，这些单元周期性排布，每个单元为不同方向的矩形的纳米孔结构，纳米孔阵列材料为金，该阵列的薄膜厚度为60nm，一个纳米孔单元的长边为335nm，一个纳米孔单元的短边为145nm，每相邻两个纳米孔单元之间的中心间距为730nm，每一直线水平方向上的所有纳米孔相对水平方向的偏转角大小之间成线性变化。单层二维材料薄膜是单层的二硫化钨薄膜。

通过一个8cm透镜进行聚焦，线偏的脉冲激光垂直入射至金属纳米孔阵列，被调制过的圆偏激光光作用在单层的二维材料上，产生倍频的能谷光子被一个40x物镜接收。

该实例中使用的激光为入射基频光为1240nm波长的脉冲激光。由于金属纳米孔结构的性质，光场被局域增强，从而导致单层二维材料的倍频效率大幅的提升，其增强效果如图4所示。

如图2所示。线偏激光光场通过矩形孔后，根据矩形孔方向的不同，自旋态不同的光子被附加上了不同的相位信息。通过一个相位延迟随横轴线性变化(与所有纳米孔相对水平方向的偏转角之间所成的线性变化相对应)的超表面，能谷光子的出射角度可以得到控制，其中，图2中中间光束代表：经过纳米孔阵列没有被调制的部分光，经过二维材料得到的倍频光。如图5所示，产生的手性能谷光子分为了两束(互呈手性)，延横轴分开，并且具有相反的自旋态，其中，纵轴z代表距离单层二维材料薄膜的探测距离。

实施例二

一种基于上述实施例一中任一分离方法的分离装置，如图6所示，包括：激光源3，纳米孔阵列1，以及单层二维材料薄膜2。其中，纳米孔阵列与单层二维材料薄膜层叠设置；激光源设置于纳米孔阵列的单层二维材料薄膜相对的一侧。图中箭头代表光发射方向。

本实施例采用超表面与单层二维材料结合，用以辅助单层二维材料中能谷光子的分离，具有良好的结构紧凑性。工作过程中，首先，激光入射至纳米孔阵列，经纳米孔阵列调制后作用在单层二维材料上，产生倍频的能谷光子；其次，由于纳米孔结构的局域增强场增强效应，单层二维材料的倍频效率大幅的提升。另外，激光通过纳米孔阵列后，由纳米孔阵列的作用，自旋态不同的光子被附加上了不同的相位信息，进入并激发单层二维材料后，单层二维材料不仅产生能谷光子且自旋态不同的能谷光子的出射方向不同，该出射方向与经纳米孔阵列调制后的圆偏激光的方向对应，从而实现手性的能谷光子的分离。该分离装置可以实现常温对能谷光子的操控，自由度高，能谷转换效率高。

其中，纳米孔阵列和单层二维材料薄膜相关的技术方案同实施例一所述，在此不再赘述。

优选的，分离装置还包括固定元件，用于固定所述纳米孔阵列。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。