Nature Photonics：二维半导体WSe2，纳米光子界面

手性纳米光子界面Chiral nanophotonic interfaces，能够实现导向光学模式和圆形二向色材料之间传播方向相关的相互作用。界面手性的电调谐，将有助于片上光电和光子电路主动、可切换非互易性，但仍然极具挑战。

近日，美国 芝加哥大学 Alexander A. High团队在Nature Photonics上发文，报道了在原子薄单层二硒化钨tungsten diselenide（WSe2）纳米光子界面中的电可控手性。二氧化钛波导直接制作在低无序氮化硼封装的WSe2表面上。在积分之后，从激子态到波导中的光致发光，可以在平衡发射和定向偏置发射之间电切换。工作原理利用了WSe2中激子态掺杂相关的谷极化。此外，纳米光子波导,可以用作扩散激子通量的近场源，其显示从界面手性继承的谷和自旋极化。这种多功能制造方法，使光子学与范德瓦尔斯异质结构的确定性集成成为可能，并可提供对其激子和电荷载流子行为的光学控制。

Electrically controllable chirality in a nanophotonic interface with a two-dimensional semiconductor

二维半导体的纳米光子界面中的电控手性。

图2：界面静电调谐。

图3：谷极化的栅极依赖性。

图4：谷（自旋）极化激子通量的光子泵浦。

该项研究演示了与六方氮化硼hexagonal boron nitride,hBN封装的、电门控WSe2单层连接的光子波导。界面表现出从0%到20%电可调手性-定向耦合效率chiral–directional coupling efficiency，CDCE，并通过近场激发产生谷（自旋）极化激子通量。

除了线性波导，多功能纳米光子制造方法，可以将过渡金属硫化物TMDCs与更复杂的光子结构连接，其中器件几何形状和尺寸仅，受先进光刻技术限制，使光子环调制器和干涉仪，以及光子晶体中的激子-极化激元成为可能。

结合二维材料大面积生长、剥离和组装的最新进展，这将提高异质结构产量和可扩展性，超越目前限制，这项工作，为其与纳米光子电路的确定性、晶圆级集成，建立了一个通用平台。

重要的是，该界面的可调手性（以前在其他手性光学界面中无法获得）依赖于过渡金属硫化物TMDC单层中激子态掺杂相关的谷动力学。多层和扭曲的范德瓦尔斯异质结构，展示了设计的、奇异的谷特性，也可以与这种波导界面相结合，用于额外手性功能，如栅极可逆发射路由，并提供基于二维材料的新光子逻辑和控制方案。

此外，原子薄半导体中，激子扩散的纳米光子驱动，在分布式光子元件和局部激子电路之间建立了一座桥梁。此外，通过手性过渡金属硫化物TMDC–光子界面的近场光泵浦，可用于产生单层中驻留电荷载流子的自旋极化。这种光学制备的自旋极化电子态，对载流子掺杂水平敏感，可以打破界面时间反演对称性，实现集成纳米光子结构中的栅极激活全光非互易性。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41566-022-00971-7

DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-022-00971-7

本文译自Nature。

手机和平板电脑可以像报纸一样卷起来，隐形眼镜中集成的屏幕能够直接读取信息......这些听起来非常科幻的场景，在新型二维材料的推动下，正不断趋于现实。

二维材料 是一种具有单个或几个原子层厚度的新型晶体材料，目前已经发展成为一个完整的材料体系，涵盖了从导体、半导体、超导体到绝缘体，铁电、铁磁、反铁磁等各种类型。高质量的二维材料在 探索 新的物理现象及进一步扩展其在微电子和光电子领域的应用方面发挥着重要作用。

松山湖材料实验室副主任张广宇研究员所带领的二维材料团队围绕二维材料的研究、制备及应用开展了一系列工作，并取得了国际领先的研究成果。

如今，“石墨烯”已成为大众所熟知的“明星材料”，石墨烯电池等产品也已逐步在商业领域有所应用。早在2004年，英国曼彻斯特大学Andre Geim教授课题组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯，从而引发了二维材料研究的热潮，相关研究者因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

近年来，在半导体器件发展微型化和柔性化的驱动下，二维材料由于其优异的光、电、机械性能（例如高灵敏度、超高透明度以及半导体特性等），表现出了独特的优势。

“二维材料的特殊性质赋予了它们广泛的应用前景。首先在物理属性上， 二维材料只有一个原子层厚度，这就使得该类材料具有超高的透明度以及良好的柔韧性。 ”张广宇介绍，未来，二维材料一个重要的应用方向就是柔性透明电子器件。

“二维材料表面没有悬键，外延生长制备的过程中对晶格匹配度要求不高，属于范德瓦尔斯外延，对材料和工艺基本没有限制要求。”张广宇表示。

二维材料的出现，为突破传统半导体器件在性能上的各种限制提供了新的途径，为实现各种功能应用提供了新的思路。

在不到一个指甲盖大小的面积上，可以集成超过1500个柔性二硫化钼场效应晶体管器件。2020年9月，张广宇所带领的团队在电子学期刊《Nature electronics》上发表了论文《基于单层二硫化钼场效应晶体管的大面积柔性透明电子器件》。

该团队利用外延生长得到的四英寸高质量、高定向单层二硫化钼薄膜，结合传统的微加工工艺，通过优化绝缘层与接触电阻，制备出了大面积柔性透明的二硫化钼场效应晶体管及各种逻辑器件。器件表现出了优异的特性： 晶体管器件密度可达1518个/平方厘米，成品率高达97%，是目前已报道结果中最高指标，处于国际领先水平 ；单个器件也表现出较好的电学性能和柔韧性。

张广宇指出，“目前，成熟的半导体工艺多采用8寸或者12寸硅材料晶圆，尺寸越大，集成芯片就越多，成本也越低。所以要实现大尺寸二硫化钼晶圆的制备也是一样的思路，但是越大的尺寸，也意味着更高的技术要求。”

大面积高质量的二硫化钼薄膜的制备，还存在晶粒尺寸较小、晶界多、取向随机等问题。 为解决这一难题，张广宇团队利用自主设计搭建的多源化学气相沉积系统，采用立式生长和多点形核的方法，在蓝宝石衬底上外延制备出了四英寸高质量连续的单层二硫化钼晶圆。

他这样形容其中的原理，“就像拿一个喷壶往墙上喷水，第一代设备只有一个喷头，这时喷的区域比较小；第二代设备是用三个喷头一起喷，这样喷出的面积就能扩大三倍；第三代设备是用六个源一起喷，这种情况下喷出的区域更大，更均匀。”

“二维半导体材料具 有很多优异的特性，可以弥补硅以及其它半导体材料在应用方面的不足，发挥材料自身的优势，实现一些新的、更加契合的应用场景。比如柔性可穿戴器件，超灵敏探测器等。 ”他表示，二维材料不是万能的，而是有适合自身的特殊应用场景，应该利用这些特点来开发它相对应的产品。

2019年初，松山湖材料实验室二维材料团队开始起步建设。他表示，二维材料团队主要聚焦有应用前景的材料研究。二维材料要真正应用到实际生活中，还要经历一段必不可少的过程，包括验证二维材料在原理和技术上的可行性，优化各种工艺参数、提高器件各方面性能等。

二维材料团队作为一个新团队，团队搭建是最重要的工作之一。目前团队固定成员不到十人，均具有不同的研究背景。“既有做材料的，也有做器件的；既有做加工和器件制备的，也有做表征和测量的......”张广宇表示，团队工作需要成员相互配合，这样才能更加高质量、高效率开展研究工作。

随着松山湖材料实验室建设步入正轨，越来越多优秀的海外研究人才选择加入实验室，在此开展自己的科研工作。团队中两位骨干青年科研人才，就是张广宇到欧洲宣讲时招聘引进的。在他看来，这是一个不错的兆头。“松山湖材料实验室作为广东省布局建设的新型科研机构，各方面资源相对充足，具备较强的吸引力。同时东莞也为科研人才提供了一个能够安心做事、专心科研的舞台。”

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