近日，西北工业大学肖发俊、赵建林教授团队联合北京大学刘开辉教授、中国科学院物理研究所马超杰副研究员，在二维材料局域激子的激发与调控方面取得重要进展。研究团队提出一种由单层WSe2覆盖的金纳米立方体-镜面（NCoM）纳腔结构，实现了室温下局域激子的激发与波长调谐。通过优化结构参数，协同调控应变效应与Purcell增强效应，使局域激子发射强度提升了约22倍。同时，通过纳腔模式的共振调谐，实现了局域激子发射能量超过240 meV的红移。研究成果以“Resonance Tuning of Localized Excitons via a Plasmonic Nanocavity”为题，发表在《ACS Nano》上，并入选当期封面（Supplementary Cover）。西北工业大学物理科学与技术学院博士生王其发、北京大学物理学院博士生薛国栋为论文共同第一作者，肖发俊教授、马超杰副研究员、刘开辉教授为论文共同通讯作者，赵建林教授对本工作给予了重要指导。
二维过渡金属硫族化合物（TMDs）中的激子及多体束缚态在光与物质相互作用中具有重要作用，并在光电子器件领域展现出广阔的应用前景。除中性激子、带电激子和双激子等自由激子外，由缺陷、无序或应变引起的局域激子，因其较长的寿命、稳健的自旋-能谷耦合以及较高的光子提取效率，被认为是构建片上单光子源的理想候选。然而，现有局域激子的激发多依赖低温条件和复杂器件结构，难以满足片上集成需求。近年来，已有研究利用金属或介质纳米结构等手段，在单层TMDs中诱导稳定应变，实现了局域激子激发。然而，为确保器件在室温下的稳定运行，尤其是应对热涨落问题，仍需实现激子发射能量的进一步红移。实现这一目标的核心挑战在于如何协同调控并匹配应变诱导的势阱深度与等离激元共振能量的变化。一旦二者失配，局域激子的发射信号可能被自由激子的强信号所掩盖，或局域激子信号因强度过低而难以探测。因此，同时兼顾局域激子的高亮度与宽波段调谐仍是当前亟待解决的关键问题。
针对上述挑战，该团队设计并制备了一种纳腔-WSe2复合结构（如图1所示）。该设计综合考虑了以下三个关键因素：（1）纳腔的金纳米立方体具有多棱角构型，能在单层WSe2中诱导产生局域应变，形成与立方体尺寸相关的势阱，以实现激子的空间局域化。局域激子的发射能量可依据其与应变之间的经验关系进行预测；（2）由于纳腔-WSe2复合结构的等离激元模式对隔离层厚度十分敏感，通过精确调控隔离层厚度，可实现局域激子与复合结构等离激元模式I的能量匹配。同时，该模式热点的空间分布与应变最大区域高度重合，有利于同时实现光谱和空间匹配，从而提升局域激子的发射效率；（3）通过协同调控纳腔的结构参数，可在较宽的能量范围内共振匹配纳腔模式与不同能量的局域激子，从而有效增强局域激子的发射强度，并实现其能量的连续调控。
图1. 单层WSe2局域激子发射的共振调控机制。
实验上，研究者通过自下而上的方法构建了单层WSe2覆盖的NCoM纳腔结构（如图2）。AFM像表明，单层WSe2完整无破损地覆盖在金立方体上，并且在立方体顶角处形成清晰而锐利的弯曲边界。基于Hencky模型计算，金立方体使得单层WSe2产生了约2.68%的局域应变，对应理论预测的局域激子发射能量为1.48 eV。为了增强了局域激子的发射，通过纳腔间隙尺寸的调控，使纳腔模式Ⅰ与局域激子发射能量高度匹配。在室温荧光光谱探测下，观察到位于1.48 eV的低能量发射峰。对照实验和功率依赖进一步证明了该发射峰为应变诱导的局域激子。后焦面成像结果显示其远场辐射呈“甜甜圈”状分布，表明强应变诱导了激子偶极取向的显著改变。
图2. NCoM-WSe2复合结构中局域激子的激发与表征。
为探究局域激子发射增强机制，研究者将单层WSe2分别覆盖于NCoM纳腔结构和SiO2衬底上的金立方体上（如图3），保持立方体尺寸不变，进一步控制材料的应变相同。荧光光谱表明，相比于裸立方体，NCoM纳腔使局域激子发射强度提升了约22倍。数值仿真结果表明，在激发波长532 nm处，两种结构均支持等离激元共振。由于立方体与金膜中镜像模式的耦合，使得NCoM结构中立方体顶部比裸立方体具有更强的电场增强，导致了更大的激发速率增强。同时，NCoM纳腔模式Ⅰ与局域激子发射能量高度匹配，显著提升了光子局域态密度（LDOS），进而增强了自发辐射速率，实现了高达135倍的量子产率增强。相比之下，由于裸立方体结构在局域激子发射能量处的共振失配，仅实现了35倍的量子产率增强。局域激子的增强因子正比于激发速率增强和量子产率增强的乘积。因此，NCoM纳腔的理论荧光增强因子相较于裸立方体结构提高了约20倍。该结果与实验观测高度一致，从理论层面有力印证了局域激子的增强机制。
图3. 等离激元增强单层WSe2局域激子的物理机制。
在上述基础上，研究者进一步精细调控立方体尺寸和纳腔隔离层厚度，使等离激元共振与局域激子发射峰位严格匹配，最终实现了局域激子发射能量从1.590 eV至1.343 eV的连续可调，红移范围高达247 meV。该结果充分证明了该纳腔平台能够实现对等离激元-激子耦合的精确调控，为单层半导体中局域激子发射波长的按需调制提供了可靠的物理机制与技术路径。
图4. 局域激子发射的共振调控。
该研究提出了一种单层WSe2中局域激子的室温激发与共振调控策略。通过结合纳米尺度应变工程与Purcell效应，利用强局域等离激元模式与局域激子发射峰的精准匹配，实现了局域激子发射强度约22倍的提升。此外，通过纳腔模式的共振可调谐性，实现了超过240 meV的局域激子能量调控范围。该研究构建了一种稳健的局域激子发光调谐的策略，为实现具备高亮度、可扩展及波长可定制的非经典光源提供了新的技术路径。相关成果有望推动可调谐单光子源、片上量子光子回路等的发展，为量子信息处理与量子通信应用奠定基础。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.5c21481
撰稿：课题组
