Исследователи усилили излучение WS₂ с помощью пустот Ми в Bi₂Te₃

Атомарно тонкие полупроводники, такие как дисульфид вольфрама (WS₂), становятся перспективными материалами для фотонных технологий нового поколения. Несмотря на толщину в один атомный слой, они способны содержать прочно связанные экситоны — пары электронов и дырок, активно взаимодействующих со светом. Эти материалы также проявляют нелинейные оптические эффекты, например генерацию второй гармоники, что делает их привлекательными для квантовой оптики, сенсорики и компактных источников света на чипе. Однако сверхтонкая структура ограничивает взаимодействие со светом, что снижает интенсивность излучения и эффективность преобразования частоты, если окружающая фотонная среда не оптимизирована.В исследовании, опубликованном в Advanced Photonics, предложен новый подход к усилению оптических сигналов, который не изменяет сам материал, а модифицирует пространство под ним. Слой WS₂ размещают на наноразмерных воздушных полостях — пустотах Ми, вырезанных в кристалле теллурида висмута (Bi₂Te₃) с высоким показателем преломления. Такие пустоты усиливают излучение и нелинейные эффекты, а также позволяют наблюдать локализованные оптические моды, открывая новые сведения о поведении света на субволновых масштабах.

Традиционные диэлектрические нанорезонаторы удерживают свет внутри твердых материалов, например кремния, что ограничивает доступ поля к поверхности тонких материалов. Пустоты Ми действуют иначе: свет циркулирует внутри субволновой воздушной полости, концентрируясь вблизи поверхности, где находится WS₂. Это «инвертированное» ограничение поля обеспечивает прямой доступ оптического поля к материалу, позволяет регулировать резонансную длину волны и сохраняет эффективность даже в сильно поглощающих материалах.

Исследователи с помощью электромагнитного моделирования спроектировали полости, поддерживающие дипольный резонанс, согласованный с А-экситоном WS₂. Регулируя радиус и глубину полости, они контролировали длину волны резонанса и вертикальное положение моды. Полости создавались ионно-лучевой обработкой в толстых чешуйках Bi₂Te₃, после чего на поверхность переносили непрерывный монослой WS₂, покрывающий резонансные и нерезонансные полости, а также плоские участки.

Измерения показали ожидаемое поведение полостей: увеличение размера сдвигало резонанс к более длинным волнам, изменение глубины влияло на спектральное положение и вертикальное распределение моды. Резонансы оставались стабильными даже при неидеальной геометрии, что подтверждает устойчивость конструкции к дефектам изготовления.

Фотолюминесценция WS₂ при лазерном возбуждении показала, что при совпадении резонанса полости с полосой излучения WS₂ световой поток увеличивался примерно в 20 раз. Анализ показал, что усиление связано не с более сильным поглощением, а с эффектами излучения: резонатор увеличивает локальную оптическую плотность состояний и улучшает выход излучаемого света.

Изучение нелинейных эффектов показало, что сигнал второй гармоники усиливался примерно в 25 раз при совпадении длины волны возбуждения с резонансом полости. Визуализация этих сигналов выявила локализованные горячие точки над резонаторами, которые перемещались предсказуемо при изменении длины волны или глубины, демонстрируя распределение оптических полей без сложных ближнеполевых методов.

Читайте также: