表面等离激元光自旋调控低维纳米材料荧光发射方面取得重要进展

表面等离激元是外界光激发下金属表面自由电子集体震荡现象，是光子和电子相互作用形成的表面电磁场元激发共振模式，可产生局域电磁场增强、共振吸收、热电子掺杂等效应，进而实现对新型低维纳米材料光激发的动态调控。威廉希尔williamhill官网方哲宇课题组通过操控金属纳米螺旋结构中光的自选轨道耦合效应，实现了对单层MoS2荧光强度的动态调控，该研究成果近期发表在国际期刊ACS Nano上（ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b06834）。

低维纳米材料因其独特的电学和光学性质，是近年来研究的热点。单层二硫化钼（MoS2）是一种典型的二维半导体材料，具有直接带隙的光吸收和可见光波段的荧光发射，是制备光发射器件的理想材料。但单层MoS2只有纳米级的尺寸厚度，吸收和发射光子效率较低，限制了它在高性能光发射器件方面的应用和发展。此前，已有相关报道利用光子晶体、纳米线等复合结构增强单层MoS2的荧光发射，但如何实现动态操控荧光发射一直是研究的难点。方哲宇研究员等人创新性地制备了螺旋结构的金纳米天线，自旋光与该螺旋结构作用发生自旋轨道耦合效应，通过调控螺旋的环数、尺寸，以及激发光的强度等条件，最终获得对近场电磁场共振模式的动态操控。由于MoS2中的激子与金纳米天线等离激元相互作用会形成耦合激子（exciton-plasmon），显著增强荧光效率，在强电磁场作用下可获得超过10倍的荧光信号增强。在物理机理上，运用Majorana球模型对自旋轨道耦合产生的动态相位和几何相位进行了详细解释和分析。最终运用该原理，实现了旋光可控的平面发光阵列，通过改变光的偏振态实现动态调控字母“PK”的明文和暗文发光。

近年来，方哲宇课题组在等离激元纳米光电器件机理及应用方面取得了系列研究成果，如等离激元热电子界面电荷掺杂及其超快光学响应（Adv. Mater. 2015；ACS Nano 2015；Adv. Funct. Mater. 2016）；以及等离激元动态调控低维纳米材料光电特性（Adv. Mater. 2014；Nano Lett.2014；ACS Nano 2013；Adv. Mater., 2013）获得纳米尺度新型等离激元光电器件，等等。

新加坡南洋理工大学刘政教授为实验的开展提供了高质量的二维材料。这项研究得到科技部重大科学研究计划973项目、国家万人计划青年拔尖人才基金、基金委优秀青年科学基金、全国优秀博士学位论文基金，以及人工微结构和介观物理国家重点实验室、2011量子物质科学协同创新中心的资助。