电驱动等离子体纳米腔中激子强耦合与电致发光的主动调控研究

本研究通过将半导体单层集成到电驱动纳米立方体-镜面等离子体纳米腔中，实现了激子强耦合与电致发光(EL)的主动调控。研究人员利用纳米腔产生的超强电场(0.5 V/nm)可逆调节WSe2激子与等离子体耦合的拉比分裂(108-102 meV)，并在量子隧穿机制下实现了WS2单层室温EL量子效率达3.5%的突破性成果。该研究为开发高性能纳米光电子和量子光学器件提供了新思路。

　　

在纳米光子学和量子光学领域，实现光与物质在原子尺度的强相互作用一直是科学家们追求的目标。传统的光学调控手段往往面临尺寸限制、调控效率低等问题，而电学调控则因其高集成度和快速响应特性备受关注。特别是等离子体纳米结构，因其能够将光场压缩到纳米尺度，为增强光与物质相互作用提供了独特平台。然而，如何在单一纳米结构中同时实现光学和电学功能的完美集成，并实现高效调控，仍是亟待解决的关键科学问题。

针对这一挑战，国内某研究机构的研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表了一项突破性研究。他们创新性地将半导体单层材料集成到电驱动的等离子体纳米腔中，构建了一个同时具备超强光场限制和超强电场调控能力的多功能纳米平台。通过精确控制纳米腔的间隙尺寸，研究人员不仅实现了激子与等离子体强耦合的可逆电学调控，还在量子隧穿机制下获得了高效率的电致发光。

关键技术方法包括：单晶金纳米立方体和金片的制备、分子辅助原子层沉积(ALD)精确控制纳米间隙、半导体单层材料的转移集成、透射电子显微镜(TEM)表征纳米结构、以及有限元数值模拟分析光学模式特性等。

研究结果部分：

1. 电驱动等离子体纳米腔的制备与表征：通过单晶金纳米立方体和金片构建了具有超平滑界面的纳米腔，TEM显示其结构完整性，散射光谱显示两个明显的等离子体模式(M₁和M₂)。

2. 激子强耦合的主动调制：在WSe₂功能化的纳米腔中观察到108 meV的拉比分裂，通过施加2.5 V偏压可逆调节至102 meV，这归因于超强电场导致的激子数量变化。

3. 光谱可调的电致发光：在WS₂功能化的纳米腔中，通过控制偏压极性选择性地产生中性(X⁰)或带电(X^-)激子，实现了波长可调(617-643 nm)的EL发射，室温量子效率达3.5%，比之前报道提高了10³倍。

4. 器件稳定性验证：数百个纳米腔可同时工作，单器件连续工作2.5小时性能无衰减，展示了优异的制备重现性和工作稳定性。

研究结论与讨论指出，这项工作通过巧妙设计电驱动等离子体纳米腔，首次在同一平台上实现了强耦合调控和高效EL发射两种重要的光-物质相互作用。特别是3.5%的室温EL量子效率，为开发纳米尺度光源提供了新途径。该研究不仅为探索极端光-物质相互作用提供了新平台，也为开发下一代纳米光电子和量子信息技术器件奠定了基础。研究人员特别强调，这种全固态架构具有潜在的超高调制带宽(理论上可达太赫兹级别)，在超快光电子器件领域具有重要应用前景。未来，通过优化纳米腔结构和集成更多功能材料，有望实现更多新颖的光电调控功能。