一种基于双手性超构表面的谷电子学器件及其设计和调控方法

本发明属于谷电子学领域，具体涉及一种基于双手性超构表面的谷电子学器件及其设计和调控方法。

背景技术：

1、二维过渡金属硫化物，因其在谷电子学领域的潜力而成为研究的热点，特别是在谷选择性激光器、纳米光子电路和能谷晶体管等应用中。其中，单层过渡金属硫化物中破缺的空间反演对称性和强自旋-轨道耦合作用导致能带中出现两个简并但不等价的谷态k和k'，为信息存储和处理提供了新的自由度。电子能够通过圆偏振光选择性地激发到这两个谷态，从而在k或k'谷中产生不平衡的载流子分布，导致圆偏振分辨的光致发光表现出两个手性分量的强度不等。圆二色性是材料发出的左右旋圆偏振光分量的强度差异的量度，通常定义为同偏振光强度与正交偏振光强度之差与同偏振光强度与正交偏振光强度之和的比值。圆二色性的值可以用来表征激子的谷极化的大小。

2、此前研究已表明，在单层二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨和二硒化钨中，层内激子展现出谷极化的光致发光。然而，尽管层内激子展现出谷极化的特性，但电子-空穴交换作用会导致激子在皮秒级别内发生快速的谷的退极化，这严重限制了其在谷电子器件中的实际应用。为了解决这一问题，一种策略是将不同的过渡金属硫化物单层堆叠成范德瓦尔斯异质结，从而产生层间激子，这些激子的电子和空穴分别位于不同的层中，彼此空间分离。由于电子-空穴波函数的重叠较小，层间激子展现出比层内激子更长的谷寿命(纳秒级)。然而，由于室温下层间激子的谷极化度较低，目前在调控层间激子的圆二色性的过程中，通常需要外加电场、磁场、电化学掺杂或者精确的扭角工程控制等外部手段来实现对层间激子谷极化度的调控，这些手段虽然可以有效地调节材料的电子性质，但是其实施往往需要复杂的设备和条件，这使得谷电子学器件在实际应用中存在挑战。

技术实现思路

1、为解决现有技术中需要额外施加外场调控层间激子的谷极化度的技术问题，本发明提出一种基于双手性超构表面的谷电子学器件，通过位于介质层和异质结薄膜之间的双手性超构表面实现对不同圆偏振激子的选择性增强效应，使二维材料中的层间激子具有更高的谷极化度。进一步还提供一种谷电子学器件的设计方法，以及基于上述谷电子学器件调控范德瓦尔斯异质结中层间激子谷极化度的方法。

2、本发明的技术方案包括以下几方面：

3、本发明第一方面公开一种基于双手性超构表面的谷电子学器件，包括自下而上布置的金属反射层、介质层和范德瓦尔斯异质结薄膜，以及位于介质层和范德瓦尔斯异质结薄膜之间的金属微纳结构层；所述金属微纳结构层为形成于介质层上的双手性超构表面，所述双手性超构表面包括互为镜像的第一微纳结构阵列和第二微纳结构阵列；所述第一微纳结构阵列具有多个周期性阵列排布的纳米天线，所述纳米天线满足镜像对称性破缺；所述金属微纳结构层的共振波长与范德瓦尔斯异质结产生的层间激子的光致发光波长相匹配。

4、作为一种可选方案，金属反射层为导电金属金、银、铜、铝，或者上述合金材料；所述金属反射层的厚度为60～200纳米。

5、作为一种可选方案，介质层为二氧化硅或三氧化二铝；所述介质层的厚度为30～120纳米。

6、作为一种可选方案，范德瓦尔斯异质结薄膜通过干法转移技术转移至金属微纳结构层，由两种过渡金属硫化物单层垂直堆叠而成；所述范德瓦尔斯异质结薄膜的组合材料为ws2/wse2，mos2/wse2、mose2/wse2中的任意一种。

7、作为一种可选方案，第一微纳结构阵列和第二微纳结构阵列通过位于之间的空白区域分隔开来；所述空白区域的宽度为5～10微米。

8、作为一种可选方案，金属微纳结构层的厚度为30～100纳米；所述第一微纳结构阵列的周期为400～550纳米。

9、作为一种可选方案，纳米天线的结构为以下任意一种：近似η形结构、不同臂长的l形、阶梯形结构。

10、作为一种可选方案，还包括位于谷电子学器件最底层的衬底。

11、本发明第二方面公开一种设计方法，用于设计本发明第一方面及其任意一项可选方案所述的基于双手性超构表面的谷电子学器件，包括：确定所述谷电子学器件的目标工作波长；通过改变介质层的厚度和纳米天线的几何尺寸，使微纳结构层的共振波长与目标工作波长相匹配；通过选择构成异质结薄膜的二维材料，使异质结薄膜中层间激子的光致发光波长与目标工作波长相匹配。

12、本发明第三方面公开一种调控范德瓦尔斯异质结中层间激子谷极化的方法，其特征在于，基于本发明第一方面及其任意一项可选方案所述的谷电子学器件，通过选择激发微纳结构层的不同区域，调控范德瓦尔斯异质结产生的层间激子的光致发光的左旋圆偏振光分量和右旋圆偏振光分量的相对强度，实现谷极化的增强和翻转。

13、本发明具有以下有益效果：

14、1)本发明所提出的谷电子学器件，通过位于介质层和异质结薄膜之间的双手性超构表面对不同圆偏振激子的选择性增强效应，使二维材料中的层间激子具有更高的谷极化度，从原理上解决了层间激子谷极化度低的问题。

15、2)本发明通过选择激发双手性超构表面不同微纳结构区域，可以调控层间激子的光致发光的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的相对强度，从而实现谷极化的增强和翻转。并且，这种方法不依赖于外部电场、磁场或电化学掺杂等复杂的外部控制手段，不需要施加电场或磁场的设备，因此更加适合实际应用。

16、3)本发明通过控制介质层的厚度和改变微纳结构中纳米天线的几何尺寸，可实现微纳结构共振波长的调控，由此可匹配不同材料中激子的光致发光波长，通用性更强。

17、4)本发明在设计谷电子学器件时，通过改变介质层的厚度和纳米天线的几何尺寸，以及选择构成异质结薄膜的二维材料，使微纳结构层的共振波长和异质结薄膜中层间激子的光致发光波长与器件所需的目标工作波长相匹配。

18、5)本发明基于范德瓦尔斯异质结薄膜中的层间激子，展现出比单层材料中层内激子更长的谷寿命，更有利于谷电子学器件的应用。

19、6)本发明所提出的谷电子学器件的制备方法简单，器件轻薄，成本相较于外部控制方式也更低。

1.一种基于双手性超构表面的谷电子学器件，包括自下而上布置的金属反射层、介质层和范德瓦尔斯异质结薄膜；其特征在于，还包括位于介质层和范德瓦尔斯异质结薄膜之间的金属微纳结构层；

2.如权利要求1所述的谷电子学器件，其特征在于，所述金属反射层为导电金属金、银、铜、铝，或者上述合金材料；所述金属反射层的厚度为60～200纳米。

3.如权利要求1所述的谷电子学器件，其特征在于，所述介质层为二氧化硅或三氧化二铝；所述介质层的厚度为30～120纳米。

4.如权利要求1所述的谷电子学器件，其特征在于，所述范德瓦尔斯异质结薄膜通过干法转移技术转移至金属微纳结构层，由两种过渡金属硫化物单层垂直堆叠而成；所述范德瓦尔斯异质结薄膜的组合材料为ws2/wse2，mos2/wse2、mose2/wse2中的任意一种。

5.如权利要求1所述的谷电子学器件，其特征在于，所述第一微纳结构阵列和第二微纳结构阵列通过位于之间的空白区域分隔开来；所述空白区域的宽度为5～10微米。

6.如权利要求1所述的谷电子学器件，其特征在于，所述金属微纳结构层的厚度为30～100纳米；所述第一微纳结构阵列的周期为400～550纳米。

7.如权利要求1所述的双手性超构材料，其特征在于，所述纳米天线的结构为以下任意一种：近似η形结构、不同臂长的l形、阶梯形结构。

8.如权利要求1至8任意一项所述的谷电子学器件，其特征在于，还包括位于谷电子学器件最底层的衬底。

9.一种设计方法，用于设计权利要求1至8任意一项所述的基于双手性超构表面的谷电子学器件，其特征在于，包括：

10.一种调控范德瓦尔斯异质结中层间激子谷极化的方法，其特征在于，基于权利要求1至8任意一项所述的基于双手性超构表面的谷电子学器件，通过选择激发微纳结构层的不同区域，调控范德瓦尔斯异质结产生的层间激子的光致发光的左旋圆偏振光分量和右旋圆偏振光分量的相对强度，实现谷极化的增强和翻转。