中山大学杨国伟教授研究组在全介质纳米光子学材料研究取得重要进展

杨国伟教授研究组最近在全介质纳米光子学材料研究中取得重要进展，相关成果发表在国际材料科学著名学术刊物Materials Horizons（SCI影响因子13.18）。

二维过渡金属硫族化合物（two-dimensional transition-metal dichalcogenides, 2D TMDCs）具有独特的电子和光学性质，是发展未来光电子器件的基础材料。光致发光（photoluminescence, PL）作为2D材料最重要的光学性质之一，近年来受到人们的广泛关注，而如何调控其PL则是其器件应用所面临的关键科学问题。传统的PL调控是通过改变2D材料的厚度、衬底、应力及温度等因素来实现，但是这些条件在实际应用中很难精确操控。耦合2D材料与纳米光子学结构（如光子晶体、表面等离激元和全介质纳米结构）是一种有效的调控2D材料PL的方法。然而，迄今为止，还没有关于采用单个全介质纳米颗粒来调控2D材料PL的报道。

近日，杨国伟教授研究组的马楚荣博士生在全介质纳米光子学材料方面取得重要进展，他在国际上首次实现了单个全介质纳米颗粒对2D材料PL的调控。他们利用机械剥离法和飞秒激光液相烧蚀法分别制备得到WS2纳米片和Si纳米颗粒，通过Si纳米颗粒组装到不同层数的WS2纳米片表面形成Si/WS2异质结构。对于单层WS2纳米片异质结构，他们观察到PL淬灭且伴随着光谱红移和展宽，而多层的WS2纳米片异质结构的PL强度却可以得到不同程度的增强且光谱位置和形状没有明显变化。由于全介质Si纳米颗粒可以产生Mie共振模式。

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因此其在激光照射下温度迅速上升，这种加热效应以及Si纳米颗粒与WS2纳米片之间的应力效应导致了单层WS2纳米片异质结构的电子结构发生改变，使其从直接带隙转变为间接带隙，从而导致单层WS2的PL强度和位置发生变化。对于多层WS2纳米片，由于其本身是间接带隙电子结构，加上其热导率较大，因此这两种效应对其异质结电子结构影响较小。通过对Si/WS2异质结构散射光谱的测量，他们证明了随着WS2纳米片层数的增加，Si纳米颗粒与WS2纳米片的相互作用（即Mie共振模式与激子的耦合）逐渐增强。这种相互作用增强了WS2纳米片的光学吸收和发射速率（Purcell效应），从而导致多层WS2纳米片的PL得到增强。另一方面，考虑到Si基光源到目前为止仍然是一个光子学难题，而Si/WS2异质结构从一定程度上为解决这个难题提供了一种途径，因此这种异质结构在光探测和芯片电路集成方面有广阔的应用前景。

相关成果以“Photoluminescence manipulation of WS2flakes by an individual Si nanoparticle”为题发表在Materials Horizons（DOI: 10.1039/c8mh01072b），马楚荣博士生为第一作者，杨国伟教授为通讯作者。本研究得到国家重大科学研究计划、广州市科技计划项目和光电材料与技术国家重点实验室的大力支持。