Международный коллектив физиков разработал наноустройство на основе монослоя дисульфида молибдена (MoS2) и нитевидных нанокристаллов фосфида галлия (GaP). Данная структура использовалась для усиления фотолюминесцентного излучения и его направленного вывода на чипе. Эта работа демонстрирует новый способ контроля и маршрутизации оптических сигналов в нанофотонных интегральных устройствах. Результаты опубликованы в журнале Small Structures.
Двумерные дихалькогениды переходных металлов, в частности MoS2, обладают уникальными оптическими свойствами, при этом имея толщину всего в несколько атомов. Так, дисульфид молибдена характеризуется интенсивной полосой люминесценции в видимом диапазоне длин волн, что открывает большой спектр потенциальных применений, например, для создания наноразмерных источников излучения и нанолазеров. Однако крайне малая толщина оказывается и существенным минусом, поскольку это приводит к малой эффективности возбуждения люминесценции, что является препятствием на пути применения в нанофотонных устройствах.
Коллектив ученых из МФТИ, СПбГУ, Алферовского университета и ИТМО с коллегами исследовал, можно ли использовать для решения данной проблемы нитевидные нанокристаллы GaP, которые уже достаточно хорошо изучены. За счет высокого показателя преломления (>3) в области люминесценции MoS2, а также квазиодномерной геометрии такой материал является идеальным для создания волноводов в фотонных чипах.
Физики нанесли нитевидные нанокристаллы фосфида галия на монослои дисульфида молибдена с помощью спиртовой суспензии и затем точно спозиционировали их зондом атомно-силового микроскопа (Рисунок 1).
Рисунок 1. Гибридная структура нанопровод GaP на монослое MoS2. a — Изображение вертикальных нанокристаллов GaP. b — Оптическое изображение монослоя MoS2 и нанесенного нанопровода GaP. c — Изображение нанокристалла, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии. d — Увеличенное оптическое изображение нанокристалла. Источник: Small Structures.
При оптическом облучении такой структуры ученые увидели, что падающий свет эффективно проникает в нанопровод и возбуждает фотолюминесцентный отклик в слое MoS2. Оказалось, что наличие нанопровода приводит к усилению фотолюминесценции, увеличивая ее яркость почти втрое. Кроме того, возбужденная люминесценция «втягивается» в нанопроволоку, как в оптическое волокно. Таким образом, возбужденный свет направленно выводится через нанокристалл.
Исследователи также обнаружили, что данная структура позволяет удалённо возбуждать люминесценцию MoS2 с помощью оптической накачки. Это происходило за счёт того, что падающий свет локализовался и распространялся вдоль нитевидных нанокристаллов GaP и на выходе взаимодействовал с монослоем.
Еще одной привлекательной особенностью нитевидной геометрии является её схожесть с резонатором Фабри-Перо: две плоские торцевые грани нанопровода могут работать как зеркала и образовывать оптический резонатор. Поэтому излучение, попадающее внутрь через одну грань, будет распространяться вдоль кристалла и отражаться от другой, а образующиеся в результате этого две противоположно направленные волны будут интерферировать друг с другом. В спектре могут быть такие длины волн, целое число которых будет равняться длине оптического резонатора, поэтому интенсивность излучения на этих длинах волн будет значительно увеличена. Это наблюдалось и в исследуемой гибридной системе: нитевидные нанокристаллы GaP выступали в качестве резонатора типа Фабри-Перо для набора длин волн, присутствующих в спектре фотолюминесценции MoS2, что проявлялось в виде спектральных модуляций.
Рисунок 2. Направленная фотолюминесценция монослоя MoS2. a — Принципиальная схема гетеросистемы GaP-MoS2. b — Картина фотолюминесценции. c — Оптическое изображение структуры, показывающее детали измерения. Источник: Small Structures
За эффективность усиления сигнала отвечает добротность резонатора. Для данной системы, имеющей субволновые размеры, она составила 360, что является высоким значением для самоорганизованной, никак не модифицированной структуры нитевидного нанокристалла. Однако и это не предел.
«В нашем случае имеется еще огромный простор для улучшения добротности в виде создания брэгговских отражателей, нанесения металла на торцевые грани и т.д. для достижения более высоких значений добротности не в микро, а в наномасштабе», — прокомментировал Алексей Кузнецов, научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Ученые охарактеризовали систему методом пространственного картирования фотолюминесценции. Разрешение данного метода позволяет наглядно показать распределение света по структуре. Вне нанокристалла люминесценция слоя MoS2 была однородна по поверхности, а в области кристаллических нитей излучение усиливалось примерно в 3 раза, что говорит об эффективном рассеянии на торцевых гранях (Рисунок 3). Кроме того, с помощью картирования фотолюминесценции удалось продемонстрировать возможность удалённого возбуждения излучения на монослое.
«Но самое интересное то, что при получении сигнала с конца, который не лежал на монослое, также была получена спектрально модулированная фотолюминесценция. Исходя из экспериментальных данных, мы предполагаем, что излучение лазера накачки проникает внутрь нитевидного нанокристалла, доходит до торца, лежащего на монослое MoS2, локально возбуждает на нем фотолюминесценцию, которая проникает обратно в кристалл, в нем резонирует и выходит через противоположный конец», — рассказала Мария Аникина, инженер лаборатории функциональных наноматериалов МФТИ.
Рисунок 3. Спектроскопия фотолюминесценции структуры при комнатной температуре в геометрии обратного рассеяния. a — Оптическое изображение гибридной системы GaP/MoS2 с обозначением отображенных областей. b — Карта фотолюминесценции верхней части нитевидного нанокристалла. c — Карта фотолюминесценции нижней части нитевидного нанокристалла. Источник: Small Structures
Так, с помощью картирования фотолюминесценции было установлено, что нитевидный нанокристалл работает не только как волновод и резонатор, но и через него возможно удаленно возбуждать фотолюминесценцию на монослое.
Основное преимущество разработанной системы является ее миниатюрность, потому что для ее функционирования достаточно нанокристалла GaP с диаметром около 100 нм. Это позволит создавать интегральные оптические схемы с более плотной упаковкой функциональных элементов. Также аналогичная структура может быть использована для квантовых вычислений и операций с одиночными фотонами, если использовать в качестве их источника точечные дефекты в тонких слоях гексагонального нитрида бора (h-BN).
«Следующим шагом является разработка наноразмерного источника лазерного излучения на основе нитевидного нанокристалла GaP в комбинации с дихалькогенидами, обладающими более интенсивным откликом фотолюминесценции, например, с WS2 и WSe2», — поделился Алексей Кузнецов.
______________________
Работа была выполнена учеными из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, СПбГУ, Алферовского университета, ИТМО, СПбПУ, Национального института графена (Великобритания), Ереванского Государственного университета.
