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。

背景

目前，以硅为代表的传统半导体材料正在面临严峻挑战。通过原理创新、结构改善、工艺进步，科研人员很难再大幅度提升硅基半导体器件的总体性能。“后摩尔时代”已经悄然到来。作为有望取代硅基半导体材料的新一代半导材料，近年来二维半导体的研究进展迅猛。

石墨烯凭借机械强度高、导电导热性好、轻薄、柔性、透明等优势，一度被誉为“新材料之王”，也让二维材料成为了备受瞩目的热点。遗憾的是，石墨烯中独特的碳原子排列，虽然有利于电子轻松地高速流动，但也使之不适合作为半导体。石墨烯没有带隙，无法选择”打开“或者”关闭“电流，而这种二进制开关机制正是现代电子器件的基础。

不过除了石墨烯之外，越来越多的二维材料被人类发现并研究，其中也不乏可以作为半导体的二维材料，例如过渡金属硫族化合物、黑磷等。科学家们已经通过这些二维材料创造出诸多半导体器件，例如：

然而，在二硫化钼（MoS2）为代表的二维半导体器件的制造工艺中，采用电子束光刻技术，将金属电极纳米刻画到这种原子级二维材料的层上，目前会产生一些问题，导致“非欧姆接触”与“肖特基势垒”。

创新

近日，美国纽约大学工学院化学与生物分子工程系教授 Elisa Riedo 领导的团队，报告了原子级薄度处理器制造工艺中的一项重要突破。这一发现不仅将对纳米芯片制造工艺产生深远影响，而且也将鼓舞全世界各个实验室中 探索 将二维材料应用于更小更快的半导体的科学家们。

团队将他们的科研成果发表在最近一期的《自然电子学（Nature Electronics）》期刊上。

技术

他们演示的这种刻蚀技术，采用了加热至100摄氏度以上的探针，超越了在二硫化钼等二维半导体上制造金属电极的普遍方法。科学家们相信，这种过渡金属属于有望替代硅应用于原子级微型芯片的材料。团队开发的新制造方法，称为“热扫描探针刻蚀技术（t-SPL）”，相比于目前的电子束光刻技术（EBL）具有一系列优势。

价值

首先，热刻蚀技术显著提升了二维晶体管的质量，抵消了肖特基势垒。肖特基势垒阻碍了二维衬底与金属交界处的电子流动。其次，不同于EBL，热刻蚀技术使芯片制造者可轻松获取二维半导体图像，然后在期望的位置刻画电极。再次， t-SPL 制造系统有望显著减少初始投入以及运营成本：它们通过在一般环境条件下的运作大幅降低功耗，无需生成高能电子以及超高真空。最后，这种热加工方法很容易通过采用“并行”的热探针来扩展，从而应用于工业生产。

Riedo 表示，她希望 t-SPL 将许多加工过程带出稀缺的净室，带入个人实验室。在净室中，研究人员们必须为这些昂贵的设备争取时间；而在个人实验室中，他们将迅速地推进材料科研与芯片设计。3D打印机这个先例，就是一个很好的类比。有朝一日，这些低于10纳米分辨率的 t-SPL 工具，在普通环境条件下，依靠标准的120伏电源运行，将遍及像她的实验室一样的各个研究实验室。

参考资料

【1】https://engineering.nyu.edu/news/breakthrough-reported-fabricating-nanochips

【2】https://www.nature.com/articles/ncomms8702

【3】Xiaorui Zheng, Annalisa Calò, Edoardo Albisetti, Xiangyu Liu, Abdullah Sanad M. Alharbi, Ghidewon Arefe, Xiaochi Liu, Martin Spieser, Won Jong Yoo, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Carmela Aruta, Alberto Ciarrocchi, Andras Kis, Brian S. Lee, Michal Lipson, James Hone, Davood Shahrjerdi, Elisa Riedo. Patterning metal contacts on monolayer MoS2 with vanishing Schottky barriers using thermal nanolithography . Nature Electronics, 20192 (1): 17 DOI: 10.1038/s41928-018-0191-0

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