一种利用片上拓扑光子晶体波导调控单层过渡金属硫族化合物受激发光的方法

1.本发明涉及辐射可控的拓扑波导，具体涉及一种利用半导体片上刻蚀出的两组蜂窝状孔排布形成的拓扑光子晶体波导模式，对单层过渡金属硫族化合物的受激发光进行调制的方法，以面向光电路应用进行指导。


背景技术：

2.光在不同材料之间的传播特性不一致，如果在光波长的尺度下周期性地改变材料排布，可以调控光的传播行为，形成阻断传播、局域增强、特定波长透过等效果，这种周期性结构被称之为光子晶体。光子晶体内不允许传播的光所对应的波长范围被称之为光子晶体带隙，允许传播的各种波长的光被称为光子晶体的不同模式。除波长外，光子晶体内可允许传播的模式对激发光的动量有特定要求，只有动量匹配的光才能激发特定模式。这些性质为光的操纵提供了多种多样的可能，使得光子晶体在照明、传感、信息处理、太阳能电池和量子通信等方面具有广泛的应用。但光子晶体制造过程中的一大难点是加工不稳定，局部容易产生不需要的缺陷，造成光的散射、辐射耗散等设计之外的效果，降低光子晶体品质。为克服这一难题，可以引入“拓扑”的思想对光子晶体进行设计。
3.拓扑学作为一个关注连续变形下的不变性质的数学概念被引入物理学，以描述物理系统的全局性质。这类设计注重整体特性而对局部缺陷不敏感，激发了现代电子学、声子学和纳米光子学的巨大研究兴趣，产生了从零维到三维的多种拓扑晶体设计。同一拓扑定义下，光子晶体可以被分为拓扑非平庸与拓扑平庸两类，将其拼接在一起时，在两类光子晶体的交界处会产生光子拓扑边界态。光子拓扑边界态频率对动量的微分结果具有确定的正负性，这将会对应到光子晶体模式的单向传播性质。对加工缺陷不敏感的光子拓扑态在光学设备中具有先进的应用，可以改善光通信和量子发射性能，如单向传输光波导、单模激光器、以及非线性发光增强等。除了经典的电磁领域，拓扑光子晶体还可以在量子领域中使用，实现单光子水平上的光学信号传输。
4.一种基于晶体对称性提出的z2拓扑光子晶体具有两个鲁棒的赝自旋态，在圆偏振光激发下具有单向传输的特性，并且基于横电磁模式设计的全介质平板上的z2拓扑光子晶体与现代半导体工艺兼容，具有极高的商业价值。但是，研究发现z2拓扑边界态存在暗线，而由于光学衍射极限的存在，人们难以使用传统的光学显微镜来深入观测光子拓扑态。这种新奇的物理现象尚未得到充分的研究和利用。阴极荧光显微成像技术，是一种基于扫描电子显微镜或透射电子显微镜的非侵入式探测手段，利用电子束激发并收集样品的阴极荧光信号，具有纳米级空间分辨能力和精准激发的优点，被广泛应用于研究电子与物质相互作用、纳米尺度发光探测、光学模式分析、光与物质相互作用研究等领域。通过在样品处操控电子束的入射位置，结合光路收集端的探测模组，对出射光学信号进行纳米尺度上成像，可以获得光子晶体的辐射特性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种利用片上拓扑光子晶体，实现辐射可控的波导设计，从而对单层过渡金属硫族化合物的受激发光进行调控的方法。本发明首先设计不同晶格对称性的光子晶体，利用其在高对称点打开的不同拓扑性质的带隙，实现可见光波段的拓扑边界态；然后借助阴极荧光显微技术，实现对光子晶体模式的深亚波长分析，获得拓扑光子晶体波导在不同区域具有的不同辐射特性，并以此调控单层过渡金属硫族化合物的受激发光。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种利用片上拓扑光子晶体波导调控单层过渡金属硫族化合物受激发光的方法，包括：
8.1)制备片上拓扑光子晶体阵列，所述光子晶体阵列包括平庸光子晶体区域和非平庸光子晶体区域，光子晶体的一个元胞包含六个对称的正三角形孔，呈蜂窝状排布；设正三角形孔的中心到元胞中心的距离为r，元胞晶格常数为a，对于平庸光子晶体区域内的光子晶体，r《a/3；对于非平庸光子晶体区域内的光子晶体，r》a/3；这两种光子晶体拼接的边界处形成拓扑边界态，其中最邻近两区域分界线的非平庸光子晶体元胞组成辐射能力最弱的暗线；
9.2)将单层过渡金属硫族化合物用机械方法转移到所述片上拓扑光子晶体阵列表面，由于光子晶体的波导模式在边界处不同区域的辐射特性有差异，在暗线处形成较弱的受激发光，而在边界处的其他区域形成较强的受激发光，从而对单层过渡金属硫族化合物的受激发光实现调控。
10.所述片上拓扑光子晶体阵列可以在硅片或其他半导体片上制备，其他半导体片包括氮化硅片、磷化镓片等。硅片或其他半导体片的厚度与形成的拓扑边界态的波长相关联，此外厚度是影响加工难度的主要因素，以硅片为例，当其厚度优选为60～80nm时，元胞晶格常数a优选为325nm～500nm，正三角形孔的边长优选为110nm～175nm，正三角形孔的中心到元胞中心的距离r优选为100nm～155nm(平庸光子晶体，保持r《a/3)和110nm～175nm(非平庸光子晶体，保持r》a/3)，对600～850nm波长范围内的受激发光产生调控。
11.所述光子晶体元胞中，平庸光子晶体区域和非平庸光子晶体区域的元胞晶格常数a相同，但r不同，二者的r偏离a/3愈大，产生的拓扑边界态覆盖的波长越宽，可调控的发光波长的范围越大。但是要注意，二者应尽量保持相近的偏离程度，否则会减小可调控的波长范围。另外应考虑实际可加工条件，一味扩大偏离程度会急剧地提高加工难度。另外，同样晶格常数与偏离程度下，增大边长会让拓扑边界态朝短波长方向移动。
12.所述过渡金属硫族化合物例如二硫化钨、二硫化钼、二硒化钨、和二硒化钼等。不同的过渡金属硫族化合物单层对应不同发光波长，通常而言室温下上述四种单层材料对应的发光峰分别在620nm、670nm、750nm和785nm附近。应当根据其发光波长选择匹配的各项晶格参数，半导体片厚度一定的情况下，各项晶格的参数大小与发光波长正相关，应以实际需要结合加工能力而定。
13.上述片上拓扑光子晶体阵列和单层过渡金属硫族化合物复合而成的器件可以对照明、光学传感、光学信号处理、以及量子通讯等方面产生作用。
14.下面以硅上蜂窝状孔参数的设计与制备，拓扑光子晶体中暗线的阴极荧光成像，
单层二硒化钨与拓扑光子晶体波导的耦合与发光调控三个方面为例描述本发明的技术原理。
15.硅上蜂窝状排列的正三角形孔参数的设计与制备分为四步：
16.1.基于硅(70nm厚)的折射率在动量空间设计出在780nm附近gamma点处四重简并的狄拉克锥状的能带。如图1所示，左图中光子晶体的一个元胞内包含六个对称的正三角形孔，呈蜂窝状排布，保持三角形孔的中心到元胞中心的距离(r)为元胞晶格常数(a)的三分之一，即r＝a/3。由于此六孔元胞实际上包含两组两个孔的初基元胞，动量空间上的两个孔的初基元胞的能带将被折叠，从而在gamma点处形成四重简并的狄拉克锥状的能带结构。
17.2.通过对结构的轻微变形产生拓扑平庸和拓扑非平庸的在780nm附近的光子晶体带隙。如图1的中图和右图所示，对于拓扑平庸光子晶体，三角形孔的中心到元胞中心的距离应小于元胞晶格常数的三分之一(r《a/3)，可称之为收缩型光子晶体；对于拓扑非平庸光子晶体，三角形孔的中心到元胞中心的距离应大于元胞晶格常数的三分之一(r》a/3)，可称之为扩展型光子晶体。原先简并的狄拉克锥状能带会转变为带隙。
18.3.通过两种光子晶体的拼接在边界处形成拓扑边界态。如图2所示，由于拓扑平庸和非平庸两种光子晶体能带的拓扑性质不一致，将两者拼接在一起时边界处的带隙会被重新连接，形成拓扑边界态。
19.4.将设计的结构通过电子束光刻以及反应离子刻蚀转移到商用硅片上。通过电子束光刻胶做掩模版，曝光孔区域，再用加速离子进行化学和物理刻蚀，从而可以将设计的三角形孔图案转移到硅片上。制备的三角形孔的边长为150～160nm。
20.拓扑光子晶体中暗线的阴极荧光成像要求聚焦电子束逐点扫描样品表面，并结合收集端的滤色片收集拓扑边界态的信息。电子束相当于一个超精细的探针，扫描样品表面过程中激发的荧光信号强度正比于激发位置的辐射态局域光子态密度。辐射态局域光子态密度是光子晶体的一种内在属性，反应光子晶体模式在不同位置辐射能力的强弱。结合电镜图可以获得～10nm精度的光子晶体不同区域辐射能力的信息。通过扫描知，拓扑边界态的暗线出现在两种光子晶体交界处靠近扩展型一侧的元胞内，表明此处的辐射能力弱。
21.单层二硒化钨与拓扑光子晶体波导的耦合与发光调控包含三点：
22.1.使用机械剥离法，利用二硒化钨块材与pdms(聚二甲基硅氧烷)以及硅片表面范德瓦尔斯力的差别，剥离并转移单层的二硒化钨。
23.2.由于光子晶体具有波导模式，在780nm附近具有较强的辐射态局域光子态密度，将二硒化钨转移到光子晶体表面时，二硒化钨的发光会受到局域光子态密度的影响从而增强780nm附近的受激发光，特别在788nm处的受激发光能够达到五倍的增强。
24.3.由于波导模式在边界处不同区域的辐射特性有差异，从而在暗线处形成较弱的受激发光，而在其他位置形成较强的受激发光。
25.本发明所提出的利用片上拓扑光子晶体波导对单层过渡金属硫族化合物受激发光进行调控的方法，是首个在深亚波长尺度对可见光波段拓扑光子晶体边界态辐射特性进行利用的技术。在现代半导体工艺兼容的硅基介质平板上进行周期性三角形孔刻蚀，实现了对缺陷不敏感的拓扑光子晶体。我们利用两种拓扑光子晶体的拼接，在交界处形成可与圆偏振光耦合实现单向传输的拓扑边界态。利用电子束的超高分辨本领，获得了拓扑边界态随位置变化的辐射能力信息，实现辐射可控。在光子晶体表面转移上机械剥离的单层过
渡金属硫族化合物，可以调控单层过渡金属硫族化合物的受激发光。本发明着眼于微纳尺度光子互联新技术领域的研究，通过对拓扑边界态的辐射特性研究并结合单层过渡金属硫族化合物这一荧光材料，将拓扑波导的应用拓展到深亚波长尺度。此辐射可控的拓扑波导可运用于量子信息器件集成、光与物质相互作用研究、激光等领域，具有尺度小、灵敏度高、鲁棒性强等特点。此设计的样品制备与现代半导体工艺十分兼容，拓扑波导模式本身的抗折角的单向传输特性十分有利于光学信息的交互，而且此设计对各种二维材料的受激发光具有普适的可迁移性，在大面积高质量二维材料制备蓬勃发展的今天，此设计将具有广阔的市场前景，对片上光学芯片的发展具有重要意义。
附图说明
26.图1显示了本发明所述光子晶体结构示意图以及对应的能带结构图。
27.图2显示了本发明所述光子晶体边界波导示意图以及对应的能带结构图。
28.图3显示了本发明具体实施方式中硅片在电子束光刻后以及反应离子刻蚀后的侧壁结构电镜图。
29.图4显示了本发明具体实施方式中制备的拓扑光子晶体样品结构俯视电镜图。
30.图5显示了本发明具体实施方式中778nm体态激发下的拓扑波导的z方向磁场强度(左)和xy平面电场强度分布(右)。
31.图6显示了本发明具体实施方式中788nm边界态激发下的拓扑波导的z方向磁场强度(左)和xy平面电场强度分布(右)。
32.图7显示了本发明具体实施方式中788nm边界态激发下的拓扑波导的yz平面的电场强度分布。
33.图8显示了本发明具体实施方式中阴极荧光成像记录下的光子晶体体态及拓扑边界态，拓扑边界态中可以看到明显的暗线。
34.图9显示了本发明具体实施方式中阴极荧光成像记录下光子晶体的拓扑边界态的暗线(右)及其对应的电镜形貌图(左)，从中能够发现边界态的非辐射区域与辐射区域。
35.图10显示了本发明具体实施方式中二硒化钨与拓扑波导结合的光学形貌图(左)与平庸光子晶体区域、边界区域、以及非平庸光子晶体区域的受激发光光谱(右)。
36.图11显示了本发明具体实施方式中二硒化钨与拓扑波导结合的受激发光成像图，从左到右依次是：778nm对应的非平庸光子晶体区域体态，788nm对应的边界态，802nm对应的平庸光子晶体区域体态。
37.图12显示了本发明具体实施方式中二硒化钨受激发光光谱图，在边界态辐射区域测得的788nm波长下二硒化钨的受激发光强度是无结构区域的二硒化钨的受激发光强度的五倍。
具体实施方式
38.下面结合附图，通过具体实施方式对本发明作进一步详细描述，以使本领域技术人员能够更加清楚地理解本发明。
39.本发明实施例中光子晶体结构设计如图1的中间和右侧的图所示：共包括两种光子晶体，第一种为拓扑平庸的光子晶体(收缩型)，第二种为拓扑非平庸的为光子晶体(扩展
型)。在si/sio2商用硅片上顶层硅位置刻蚀出三角形孔，并呈蜂窝型晶格对称性排布。其晶格周期a为444nm，三角形孔边长为154nm。对于收缩型光子晶体，三角形孔中心到元胞中心的间距r为138nm，对于扩展型光子晶体，三角形孔中心到元胞中心的间距r为160nm。
40.下面进一步给出所述拓扑光子晶体实验样品的制备方法，包括以下步骤：
41.步骤一、对si/sio2基底使用有机溶剂进行超声清洗，按照丙酮
→
乙醇
→
去离子水的顺序在40％功率下进行10min超声清洗，最后用氮气枪吹干残留在基底上的去离子水，得到洁净的si顶层。
42.步骤二、在顶层si上旋转匀涂一层约200nm厚的mircochem pmma a4 950胶。匀胶转速为4000rpm，匀胶后在180℃的条件下烘烤5min。
43.步骤三、在曝光系统内对三角形孔进行绘制。考虑到刻蚀过程中的扩张效果，三角形孔的每条边的中心都应向三角形中心内移约12nm，三个顶点位置保持不变。
44.步骤四、利用聚焦好的30kv的电子束对a4胶进行曝光，并在显影液和异丙醇中将曝光后被变性的胶洗去，形成垂直的侧壁。其截面图应如图3中上图所示。
45.步骤五、利用反应离子刻蚀(rie)的方式在70nm厚的硅中刻蚀出边长为～154nm的三角形孔洞结构。刻蚀气体为o2∶sf6∶chf3＝5∶10∶10sccm，刻蚀正向功率为100w，刻蚀时间为38s。刻蚀后的结果如图3中下图所示。
46.步骤六、利用丙酮将剩下的胶洗去，最后所得样品表面俯视图如图4所示。
47.若要进行单层二硒化钨的机械剥离和转移则还有以下步骤：
48.步骤七：室温条件下，利用usi胶粘塑料薄膜p/n:1005r粘在二硒化钨块材上，然后将该胶带薄膜撕下来贴在pdms上，用棉签轻轻按压胶带薄膜，然后将胶带薄膜撕下，在光学显微镜下根据二硒化钨颜色寻找到pdms上的单层二硒化钨。一般来说单层二硒化钨的剥离需要多次重复才能实现。
49.步骤八：在光学显微镜下，将pdms上的单层二硒化钨对准需要转移的结构位置，调整pdms位置，使得pdms处在与硅片相接触的临界条件，加热到45℃，利用pdms的受热膨胀与硅片相贴合，而后将pdms调离硅片。
50.本发明中在扩展和收缩的光子晶体区域中，基于其晶格对称性在群论上有两种二维不可约表示，它们与gamma点附近的人工p和d轨道相关。该晶格对称性在扩展和收缩的区域中保持不变，在两种光子晶体交界处略有破损。连接gamma点附近上下能带的边界状态可以解释为p和d轨道的杂化。其中p轨道表示偶极模式，对应强的远场辐射，d轨道表示四极模式，对应非辐射共振。为了详细分析拓扑边界状态，根据与界面的距离，将扩展和收缩的光子晶体的元胞分为最近邻区域、次近邻区域和体区域。如图2中左图所示，位置2和3分别对应于最近邻扩展元胞和收缩元胞，而位置1和4分别是次近邻的扩展元胞和收缩元胞。计算得到的界面区域能带结构如图2中右图所示，在gamma点附近可以找到拓扑边界态。图5表示模拟的778nm体态的z方向磁场强度(hz)和xy平面电场强度(|e|2)分布。
51.另外我们还模拟了788nm下拓扑边界态的z方向的磁场强度分布，如图6中左图所示。与一般的四极和偶极模式相比，最近邻的扩展元胞2携带四极模式，而最近邻的收缩元胞3携带偶极模式(见图6中左图)。由此可知，次近邻的元胞1、4和最近邻收缩元胞3是偶极模式主导区域，而最近邻扩展元胞2是四极模式主导区域，对应于边界态的暗线。另一方面，界面区域的电强度|e|2分布模拟见图6中右图，从中我们可以看到电场局域在界面处并沿y
方向逐渐衰减到附近的体区域。由此可知，大部分边界态能量被限制在界面区域。由于边界态是p和d轨道的杂化，所以辐射到自由空间的能量多来自p轨道占主导地位的位置。这些现象的yz平面模拟如图7所示，该模拟显示在收缩侧有更强的辐射图案，拓扑边界态的收缩侧有利于量子发射的应用，如激光。而在界面处最近邻的扩展元胞的辐射很少，对应于暗线。这一深亚波长信息加深了对拓扑边界态的理解，通过控制发射体所处的环境，有助设计拓扑量子发射器件。
52.下面给出所述用电子束在室温下对拓扑光子晶体模式辐射特性测量流程：本发明中对拓扑光子晶体模式辐射特性的扫描在基于扫描电镜的阴极荧光显微成像系统中进行，电子束穿过样品上方抛物面镜的小孔激发样品，辐射出的阴极荧光由样品上方的抛物面镜收集，通过收集光路的滤色片最终被光电倍增管(photomultiplier,简称pmt)捕获，形成与电镜图片上的点一一对应的阴极荧光强度图。各点处阴极荧光信号大小对应样品该位置处的辐射能力强弱。
53.对转移了单层二硒化钨的拓扑光子晶体波导的光学扫描通过商用的光学成像仪器获得。在室温条件下，用633nm波长的激光激发，并逐点扫描即可。
54.实施例1
55.按照上述步骤加工制备的一个拓扑波导样品形貌如图4所示，为保证只有一个由拓扑平庸到拓扑非平庸的交界，我们让拓扑平庸区域的光子晶体包裹住了拓扑非平庸光子晶体。拓扑波导的辐射特性实验测量在基于扫描电子显微镜(fei quanta 450feg)的阴极荧光显微成像系统(gatan monocl4 plus)中进行，样品送入真空腔内，在室温下用3kev，束斑大小为5的电子束，进行逐点扫描。
56.当拓扑光子晶体三角形孔的边长从150nm增加到160nm时，对应的带隙逐渐向短波长方向移动，由此可以记录体-边界-体态的辐射特性变化。在3kev电子束激发下，这些拓扑光子晶体的辐射态局域光子态密度分布用中心波长在769nm的40nm带宽带通滤波片收集。在三角形边长为150nm时，只有体态背景，所以观察不到暗线，这同时也排除了暗线由体态衰减引起的可能。当三角形边长增加到～153nm时，可以看到一条清晰的暗线。随着边长进一步增加到～160nm时，收缩区体态信号减弱，扩展区体态信号增强，边界态的暗线随着体态背景强度的改变而略微减弱。图8中左侧二图中拐角区域的放大电镜图像见图9中左图，其中以灰色实线来区分外部收缩和内部扩展的光子晶体区域。如图9中右图所示，其中部分交界线的位置用白色实线进行了标记，明显可以看到暗线分布在交界线的左侧最近邻扩展元胞区域，该暗线对应弱的远场辐射。图9中右图内插图是元胞的阴极荧光成像的放大图。
57.此外，本发明可用于调控二硒化钨的受激发光。按照上述步骤加工制备的拓扑波导样品与单层二硒化钨结合的器件的光学形貌如图10中左图所示，单层二硒化钨盖住了拓扑波导的部分区域。在交界处、收缩区域、以及扩展区域测得受激发光光谱如图10中右图所示，在阴影所示的光子晶体交叠带隙中间有一个因为拓扑边界态而产生的峰。对不同峰位的光学荧光成像可以看到明显的体态-边界态-体态演化，如图11所示，从左到右，光子晶体样品从内部拓扑非平庸体态转变为边界态，再转变为外部拓扑平庸体态。在边界态辐射区域测得的788nm波长下二硒化钨的受激发光强度是无结构区域的二硒化钨的受激发光强度的五倍，如图12所示。
58.本发明结合阴极荧光纳米级分辨本领，在深亚波长尺度可见光波段对拓扑光子晶
体边界态辐射特性进行利用，实现了辐射可控的拓扑波导以及对单层过渡金属硫族化合物的受激发光调控。此辐射可控的拓扑波导可运用于量子信息器件集成、光与物质相互作用研究、激光等领域，具有尺度小、灵敏度高、鲁棒性强等特点。此设计的样品制备与现代半导体工艺十分兼容，拓扑波导模式本身的抗折角的单向传输特性十分有利于光学信息的交互，而且此设计对各种二维材料的受激发光具有普适的可迁移性，在大面积高质量二维材料制备蓬勃发展的今天，此设计将具有广阔的市场前景。
59.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，本领域的技术人员应当理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。