近些年纳米光子学的飞速发展，为提高光学器件效率以及缩小器件尺寸开辟了一条崭新的道路。最近，香港中文大学许建斌教授团队、苏州大学陈泽锋教授团队以及王绍军教授团队共同合作，提出了采用化学沉积（CVD）方式来大规模制备基于块体过渡金属硫化物（TMDC）的光学超构表面的方法。
由于局域表面等离激元（localized surface plasmon）的存在，贵金属纳米结构在纳米光子学上被广泛采用。特别值得提出的，2011年哈佛大学Capasso等人率先设计以及在实验上制备超构表面，通过对光相位的调节，在平面结构上实现了对光波面（wavefront）的控制。围绕着超构表面，众多研究（例如多彩显示、超平棱镜）如同雨后春笋般涌现。但人们渐渐意识到，虽然等离激元具有强烈的光学响应，但是它自身的热损耗十分巨大（在光学波段），于是近些年越来越多研究转向具有高介电常数的介电介质（例如硅以及二氧化钛）。过渡金属硫化物（WS2、MoS2等），作为半导体，在光学波段的介电常数超过4（n>4），被视为极具潜力的介电材料。然而现如今，绝大多数基于TMDC的光学结构是通过对机械剥离的块体TMDC材料直接刻蚀得到的，其器件尺寸和结构形状（特别是厚度）受到了一定到限制。
另一方面，化学沉积作为一种成熟的自下而上的（bottom-up）方法，被广泛应用在二维材料的大规模制备上。这似乎给上诉困局打开了思路。香港中文大学许建斌老师团队和苏州大学陈泽锋以及王绍军老师团队合作，探索基于化学沉积方法制备大规模超构表面的方法（图1）。团队首先利用电子束光刻制备金属钼（Mo）的超构表面，然后在保护气体的氛围下进行高温（750 ℃）硫化，来制得大规模的MoS2超表面。该方法流程简单,可重复性强。相比于前人的方法（基于机械剥离），该方法实现了对超构表面厚度以及整体器件大小的可控，为基于TMDC超构表面的设计和制备开拓了崭新的道路。
图1. 化学沉积制备块体TMDC超构表面的流程图以及对其形貌的表征。图片来源：Nat. Commun.
同时，团队还对制得的超构表面进行了光学表征（图2）。团队不仅通过角分辨消光谱观察到表面晶格共振（surface lattice resonance）模式的色散，而且发现该光学模式和MoS2自身的激子（exciton）发生了强耦合，形成了具有“半物质-半光子”的准粒子——激子极化激元，为研究物质与光相互作为拓展了思路。即，通过TMDC这种本身具有激子响应的材料来构造光子结构，可以在同一个体系里实现光子模式和激子的耦合，而不需要借助额外的手段使两者结合。
图2. MoS2光栅的角分辨消光谱。图片来源：Nat. Commun.
这一成果近期发表在Nature Communications上，文章的第一作者是香港中文大学博士研究生沈傅欢、周耀强以及苏州大学的张郑合。
Transition metal dichalcogenide metaphotonic and self-coupled polaritonic platform grown by chemical vapor deposition
Fuhuan Shen, Zhenghe Zhang, Yaoqiang Zhou, Jingwen Ma, Kun Chen, Huanjun Chen, Shaojun Wang, Jianbin Xu & Zefeng chen
Nat. Commun., 2022, 13, 5597, DOI: 10.1038/s41467-022-33088-0
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