UT-Austin郑跃兵Adv. Mater.：亚波长尺度上对纳米光源方向性的调控

以二维半导体、量子点等新兴纳米材料为代表的纳米尺度光源为纳米光子学基础研究与新一代集成光电器件提供了新的发展与机遇。然而，以二维半导体为例，其较低的量子（发光）效率以及有限的方向性显著影响了其信号接收与转化效率，从而严重地限制了它在实际的光电集成体系中的应用。因此，对激发与发光过程的调控对纳米光源而言就尤为重要。而既要兼顾纳米光源亚波长尺度的优势与小型化后器件的耦合效率，又要考虑到器件在可见光波段是否会引入额外的能量损耗，此类功能材料的设计仍是一大挑战。

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校（UT-Austin）的郑跃兵（Yuebing Zheng）教授课题组与纽约市立大学（CUNY）的Andrea Alù教授的团队、UT-Austin的Xiaoqin Li教授和Brian Korgel教授的团队以及宾夕法尼亚州立大学（PSU）的Mauricio Terrones教授的团队合作报道了基于单个硅纳米球在亚波长尺度对纳米光源方向性的调控。该团队针对电偶极子光源与纳米球的米氏（Mie）耦合，提供了一套完整的理论模型（modified Mie theory），并在实验上基于各类二维半导体（二硫化钨、二硫化钼等等）可见光光源都实现了从激发和发光两个维度上的可控方向性调节。该工作近期发表在Advanced Materials 上，并被选为封面文章，文章的第一作者是UT-Austin博士研究生方捷以及王明松博士和姚侃博士。

图1.（a）不同大小的氢化非晶硅纳米球在电偶极子光源激励下的米氏共振模式。（b）单个硅纳米球针对电偶极子光源的激发（左）与发光（右）过程的方向性的调控。左图：390纳米直径小球。右图：250纳米直径小球。图片来源：Adv. Mater.

该团队利用之前基于带隙工程研发的“氢化非晶硅纳米球”（Nat. Commun., 2020, 11, 5055，点击阅读详细）在可见光波段产生低损耗高质量的米氏共振模式。相较于常见于金属超材料中高损耗的等离激元模式（电光学共振），此类米氏共振更是能同时获得电光学与磁光学多极子共振（图1a）。而电偶（多）极子与磁偶（多）极子模式的叠加则赋予了单个硅纳米球实现复杂光场调控的可能，将通常需要金属结构阵列来实现的方向性调控简化到了由仅有200到400纳米直径的球状颗粒来实现，从而与亚波长尺度的纳米光源高效耦合。基于电磁学理论中的互易原理，该团队所推导的modified Mie theory更是显示了单个硅纳米球同时调控光源的激发与发光过程的可能（图1b）。

图2.（a）单个硅纳米球同时调控二维半导体光源的激发与发光过程的示意图。（b）通过改变硅纳米球的尺寸实现对激发（左）与发光（右）过程方向性的可控调节。图片来源：Adv. Mater.

这一激发和发光两个维度上的调控也由该团队在二维半导体光源上成功实现（图2a）。如图2b所示，基于米氏共振与材料结构尺寸以及光波频率相关的特性，通过改变硅纳米球的大小，针对不同波长的光，正或负方向不同程度的增强和抑制都能有效实现。而这一充分的自由度更是提供了设计功能性纳米光源的新思路：比如，被单个硅纳米球修饰的红光光源可通过蓝光激发获得最大的正方向激发效率并有效生成单一方向性的高质量红光输出，并且同时也可以基于对绿光激发的正方向抑制，对绿光输入作出选择性的零反馈。由此，该项工作除了在亚波长尺度实现了对纳米光源发光效率与方向性的有效调控，还在纳米光子光路、能谷电子学以及强耦合极化激元体系中有着潜在的应用。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Directional Modulation of Exciton Emission Using Single Dielectric Nanospheres

Jie Fang, Mingsong Wang, Kan Yao, Tianyi Zhang, Alex Krasnok, Taizhi Jiang, Junho Choi, Ethan Kahn, Brian A. Korgel, Mauricio Terrones, Xiaoqin Li, Andrea Alù, Yuebing Zheng

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202007236

作者简介

郑跃兵，美国德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系终身教授。郑教授于2010年在宾夕法尼亚州立大学获工程科学与力学博士学位，于2010至2013年在加利福尼亚大学洛杉矶分校担任博士后研究员。其团队致力于纳米光子学的跨学科研究，包括纳米尺度下光与物质的相互作用，数字化纳米操控及加工，和用于生物医学的新型光学材料及器件。目前已在Nature Photonics, Nature Communications, Science Advances, Accounts of Chemical Research, Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano, Materials Today, Advanced Functional Materials 等国际著名刊物上发表论文130余篇，论文引用逾6000次。

郑跃兵

https://www.x-mol.com/university/faculty/38310 

课题组链接

http://zheng.engr.utexas.edu