利用具有共振模式的类光栅结构实现二维激子定向扩散的方法

本发明涉及二维激子定向扩散的实现方法，具体涉及一种利用类光栅结构使二维过渡金属硫族化合物的激子定向扩散的方法，可以对基于激子操作的器件运用进行指导。

背景技术：

1、传统的电子器件以载流子作为信息传输、处理和储存的载体，由于电子弹道输运速度极限的存在，其响应速度受到限制。光子器件的响应速度尽管远超电子器件，但由于光学衍射极限的存在，其集成度无法达到电子器件的级别。而激子作为一种可以被光子激发，可以发射光子，也可以转化为载流子的准粒子，有望作为光子和载流子的转化媒介，制成同时结合光子器件高响应率和电子器件高集成度的激子器件。但是激子作为电子和空穴受库伦束缚形成的电子-空穴对，一般显电中性，无法同电子一样利用电场直接输运，也无法同光子一样在空间或波导中以光速传播，因此激子的集体输运主要通过扩散来进行。然而，在各向同性的材料中激子的扩散也是各向同性的，这会导致特定方向上激子的扩散效率被降低，因此如何实现激子的定向扩散非常重要。

2、单层过渡金属硫族化合物(monolayer transition metal dichalcogenides，简称mtmds)作为单原子层状的二维直接带隙半导体材料，由于介电屏蔽和库伦吸引力的增强，mtmds中形成的激子具有大约1nm的小波尔半径和大约500mev的大结合能，可以在室温下存在，因此mtmds的光电性能很大程度上取决于激子，有望成为激子器件的优秀平台。同时，mtmds普遍可以承受较大程度的拉伸应变，由于晶格常数和原子排列方式的改变，应变的存在可以在一定程度上调控mtmds的能带结构，形成激子势垒，进而改变激子的扩散方式。然而，通过应变工程进行的mtmds激子流控制理论上需要引入较大的应变，这会很大程度上改变mtmds的光电性质。因此，如何实现对激子流高效调控的同时，尽量减小对mtmds原有能带结构的破坏，是亟待解决的问题。

3、随着微纳加工技术的发展，各种复杂的人工微结构被应用于mtmds的应变工程，然而现有的人工微结构需要复杂的微纳加工流程，由于其高成本、低可重复性和加工周期长等问题的存在，难以满足大规模工业生产的要求。因此，使用人工微结构对mtmds进行应变工程激子流调控的过程中需要克服以上问题，降低其实际应用的门槛。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种实现单层过渡金属硫族化合物(mtmds)二维激子定向扩散的方法，通过将mtmds转移到精确设计的亚波长光栅结构上，利用亚波长光栅结构的不均匀支撑为mtmds引入一维周期性应变，从而形成一维周期性的激子势场，使二维激子沿对应的周期性激子势场通道定向扩散，同时类光栅结构具有的共振模式可以增强激子发射强度和提升激子密度，进一步增强激子扩散的各向异性。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种实现二维激子定向扩散的方法，通过对mtmds的应变工程来实现二维激子的定向扩散，其特征是，通过具有共振模式的类光栅-mtmds复合结构来实现，所述类光栅-mtmds复合结构包括依次层叠的衬底层、反射层、绝缘隔离层、亚波长光栅层和mtmds层；该复合结构中所述亚波长光栅层具有多条带平行排列构成的亚波长光栅结构，将mtmds转移到亚波长光栅层上之后，由于光栅条带对mtmds的不均匀支撑，与条带顶部接触的部分受到较大的拉伸，而条带之间的部分则较少或不受拉伸作用，以此在mtmds中形成周期性的应变场。受应变影响，mtmds的能带结构发生改变，形成与应变场对应的激子势场，由于激子沿势场通道方向的扩散得到增强，而垂直通道方向的扩散则被减弱，实现对二维激子扩散方向的定制。同时，经过精确设计，mtmds层之下的亚波长光栅结构可以具备和mtmds的激子发射能量共振的光学模式，通过purcell效应增强激子发射，提升激子密度，进一步增强激子扩散的各向异性。

4、对于所述亚波长光栅层，可以通过有限时域差分(finite difference timedomain，简称fdtd)方法进行数值模拟，对其结构进行精确设计，获得和mtmds的激子发射能量共振的光学模式。

5、在上述类光栅-mtmds复合结构中，所述衬底层优选采用表面平整的硬质材料，例如si衬底、si/sio2复合衬底、sio2衬底等，厚度通常在1mm以上。

6、所述反射层通常使用光反射能力强的金属材料，例如au、ag等，形成高反射金属层，其厚度一般为50～100nm。为了高反射金属层更好地附着在衬底层上，在高反射金属层和衬底层之间增加提供足够附着力的金属附着层，其材料例如ti等金属，厚度为2nm左右。

7、所述绝缘隔离层优选使用能为亚波长光栅层提供足够附着力的透明绝缘材料，例如al2o3、sio2、tio2、si3n4等，厚度依照其绝缘和透光性能一般为5～15nm。

8、所述亚波长光栅层优选为绝缘材料制备成的多条带平行排列结构，其条带间距需满足在光栅的介质条件下形成与mtmds激子发射能量共振的光学模式，条带高度一般为50～100nm，条带宽度200～300nm，条带间距200～300nm，具体需根据fdtd模拟的结果进行调整。所有条带组成的光栅边长在1μm以上。制备亚波长光栅层的绝缘材料例如tio2、sio2、al2o3、si3n4等，要求该材料的介电系数与结构相匹配，使得所形成的亚波长光栅具备与mtmds激子发射能量共振的光学模式。

9、所述mtmds例如单层二硫化钨(mws2)、单层二硒化钨(mwse2)、单层二硫化钼(mmos2)、单层二硒化钼(mmose2)、单层二碲化钼(mmote2)等。

10、本发明利用具有共振模式的亚波长光栅结构在mtmds中引入周期性应变场，形成各向异性的激子势垒引导二维激子定向扩散，并通过共振模式提升激子密度，进一步增强激子扩散的各向异性。本发明方法理论上适用于不同种类的mtmds。以本发明实施例设计的类光栅-mtmds复合结构为例，在mws2中实现了激子发射强度增强10倍，激子饱和阈值功率降低2个数量级，激子在特定方向上的扩散系数提高4倍。

11、本发明还提供了上述类光栅-mtmds复合结构的一种制备方法，包括以下步骤：

12、1)将大面积的高质量mtmds机械剥离在柔性薄膜上；

13、2)制备层叠的衬底层/反射层/绝缘隔离层的基底结构；

14、3)在绝缘隔离层上制备亚波长光栅层，使亚波长光栅层的结构具有与mtmds激子发射能量共振的光学模式；

15、4)将mtmds从柔性薄膜转移至亚波长光栅层上；

16、5)将步骤4)中得到的复合结构进行退火处理，使mtmds充分贴合在亚波长光栅层上。

17、下面以类光栅-mws2复合结构中激子的定向扩散为例来说明本发明的原理，包括si/sio2/ti//au/al2o3/tio2/mws2类光栅-mtmds复合结构的加工制备和类光栅-mtmds复合结构中激子的定向扩散。

18、mws2覆盖在tio2亚波长光栅结构上，利用高功率超快飞秒激光作为激发光，亚波长光栅结构的光学模式和mws2在2.0ev的位置共振，通过purcell效应加快了mws2中的激子自发辐射速率，降低了激子饱和阈值功率，提升了激子密度，使激子扩散进入非线性区并且得到增强。亚波长光栅结构的不均匀支撑为mws2引入了周期性的应变场，拉伸应变的存在降低了mws2带隙的能量，形成了与应变场同周期的带隙能量分布，构成激子势场。势场中的激子向低能量区域汇聚，由于激子势场和亚波长光栅结构一样具有一维周期性的结构，形成一系列相互平行的激子势场沟道，造成激子沿沟道方向扩散能力增强而垂直沟道方向扩散能力减弱，达成激子定向扩散的目的。

19、类光栅-mws2复合结构中激子的定向扩散通过高功率超快飞秒激光激发覆盖在亚波长光栅区域的mws2实现。由于激发的激子沿沟道方向扩散能力增强而垂直沟道方向扩散能力减弱，因此可以观察到激子发射形成的光斑呈现椭圆形，椭圆形的长轴与类光栅结构的刻线方向平行。同时，由于亚波长光栅结构的光学共振模式对激子发射的增强，可以观察到覆盖在亚波长光栅区域的mws2发光强度要高于未覆盖在亚波长光栅结构上的区域。

20、本发明所提出的具有共振模式的类光栅-mtmds复合结构中二维激子的定向扩散是首个利用亚波长光栅结构为mtmds引入应变工程和共振模式，从而实现并增强激子定向扩散的方法。该方法极大地提升了mtmds中激子扩散的各向异性，同时提高了发光效率，降低了能量消耗。和其他类型的人工微结构相比，本发明创新性地利用了多重低势垒差、低应变的结构而非单重高势垒差、高应变的结构，使mtmds在无需承受过高应变，能带结构未遭过多破坏的情况下实现了较高的性能。同时，本发明利用了亚波长光栅的人工微结构，比其他复杂的人工微结构具有更低的成本、更低的生产难度。本发明着眼于新一代激子器件的运用中对二维半导体中激子定向扩散的要求，可运用于信息探测、传输、处理、储存等方面，具有效率高、发光强度高、能量消耗低、尺度小、灵敏度高、成本低等特点。在目前激子扩散普遍效率较低的前提下，本发明利用共振亚波长光栅结构实现并增强激子定向扩散将具有广阔的市场前景。