二维层状材料激子和微腔光子耦合效应研究

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半导体光学微腔是研究光与物质相互作用的优良载体。腔量子电动力学领域的研究发现,光学微腔中增益介质与光场耦合强度不同会导致激子经历不同的弛豫过程,进而揭开了光学微腔内激子极化激元的神秘面纱。同时,过渡族金属硫化物(TMDCs)由于其独特的物理性质引发了广泛的研究,例如能带间隙随其厚度的改变而变化。在此基础上,TMDCs与光学微腔相结合的研究得到迅速发展。目前较为常见的研究方式是将TMDCs单分子薄膜置于光学微腔内,研究单分子薄膜中激子与光场强耦合后形成的激子极化激元。只是这种准粒子实现的条件较为严格,包括高品质的光学微腔、二维材料的激子能量与光学微腔共振能量之间的小失谐、还有低温环境等都对激子与光场的耦合效应有着重要影响。在上述背景条件下,本文利用自制F-P光学微腔在室温下对其中光场与WSe2不同层数的分子薄膜中的激子进行耦合效应的研究。主要工作如下:1.利用微机械剥离法制备了不同厚度的WSe2材料,包括单分子薄膜、双层分子薄膜和较厚的多层分子薄膜。结合Ag/SiO2/Ag光学微腔结构实现发光材料的光学耦合调控。2.对转移至光学微腔内不同厚度的材料通过光致发光的方法对其性质进行探测,利用集成角分辨功能的显微荧光/白光反射光谱系统研究了样品的光学性质。首先在常温下(300 K)对放置于微腔内的WSe2单分子薄膜中激子与光场的相互作用进行研究,在强耦合区间观测到了激子极化激元的形成,获得了能量反交叉的实验现象,对应的拉比分裂能量为46.7 meV。随后在常温下对单层和双层分子薄膜中激子与光学微腔内光场的耦合效应同时进行探测,观测到弱耦合效应的发生。接下来对较厚的多层分子薄膜中激子与光场的相互作用进行研究,由于激子信号较弱,因此分别在室温(300 K)和低温(7 K)下进行了探测实验,检测到了弱耦合现象。3.针对上述实验过程进行了理论分析和模拟计算,对于激子与光场的相互作用进行了更为详细的理论说明,同时利用模拟出的现象与实验进行对比,进一步说明了实验原理。本文旨在于结合光学微腔对半导体薄膜材料的光学耦合进行调控,在品质因子仅为200的金属微腔内且在常温(300 K)下探测到WSe2单分子薄膜中激子与光场的强耦合作用。该现象为光电器件等应用方面提供了新的思路。
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