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Science:突破!三层磷原子,成功控制光,比以往都精确 | 黑鳞,近一年,第6篇正刊

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光在生活中无处不在,我们中的大多数人一直在控制光线,以相当常见的方式:我们戴上一副太阳镜并涂上防晒霜,然后关闭或打开我们的百叶窗,其实这都是在控制光线。但对光的控制也可以以高科技形式出现,计算机、平板电脑或手机的屏幕就是一个示例。另一个是电信,它控制光以产生沿光纤电缆传输数据的信号。科学家们还在实验室中使用高科技方法来控制光,现在,由于使用只有三个原子厚的特殊材料的新突破,他们可以比以往任何时候都更精确地控制光。这种特殊的材料就是黑磷。关于黑磷,近一年已发表6篇NS正刊


黑磷在许多方面类似于石墨或石墨烯,即由单原子厚层组成的碳形式。但是,尽管石墨烯层是完全平坦的,但黑磷层是有棱纹的,就像一条灯芯绒裤子。这种晶体结构使黑磷具有显著的各向异性光学特性。虽然许多材料都可以让光发生偏振,但是磷的特殊之处在于它也是一种半导体,这种材料的导电性比绝缘体(如玻璃)更好,但不如铜等金属。就像用构建的微小结构可以控制微芯片中电流的流动一样,由黑磷构建的结构可以在向它们施加电信号时控制光的偏振。


来自加利福尼亚理工学院Harry Atwater教授报道了如何使用三层磷原子来制造一种可调谐、精确且极薄的偏振光材料相关研究成果以题为“Broadband electro-optic polarization conversion with atomically thin black phosphorus”发表在最新一期《Science》上。

团队负责人Atwater在接受采访时说道:手机屏幕和电视中的液晶显示 (LCD) 技术已经具备其中一些能力,但黑磷技术有可能远远领先于它。黑磷阵列的“像素”可能比 LCD 中的“像素”小 20 倍,但对输入的响应速度却快了一百万倍。这可以让光纤电缆承载更多的数据,为基于光的 Wi-Fi 替代品打开大门,研究人员称之为Li-Fi


【实验设计】

在偏振转换的概念可视化中(图1A),入射的线性偏振光照亮了包含三层BP(TLBP)的法布里-珀罗腔。反射光的偏振态可以通过电学调整来改变其椭圆度(圆形到线性偏振)或其方位角(s到p偏振)。本文中,两个腔镜由一个高反射的厚背金(Au)镜和一个部分透射的薄顶Au镜组成。腔介质由六方氮化硼(hBN)封装的TLBP和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成,其作用是将腔谐振频率调整到临界耦合条件,以实现最大的偏振转换。


图1.电可调偏振转换和TLBP双折射示意图

为了表征TLBP的电可调复折射率,对具有以下配置的样品进行了依赖于栅极的偏振吸收测量:hBN/TLBP(具有几层石墨烯接触)/hBN/Au(图1B)。对于正电压和负电压(分别为电子和空穴掺杂),峰值吸收随着激子跃迁线宽的增加而减少。与电子掺杂相比,在施加电压的情况下,空穴掺杂响应发生了更强的变化。图1C-D显示了TLBP 的复折射率。

【用于偏振转换的异质结构】

作者接下来通过将TLBP集成到光学谐振腔几何结构中来设计用于偏振转换的异质结构,以提高偏振转换程度。典型Fabry-Pérot腔设计(图2A中的侧视图)的传递矩阵计算产生复杂的反射相量、幅度和相位谱(分别为图2B-D)。从图2B中的相量图中,可以看到沿两个偏振方向显着不同的复杂反射率特征。在图2C中反射幅度的AC(ZZ)方向在1479(1470)nm处看到来自腔的清晰共振,以及仅沿AC方向在1398nm处看到的较弱激子吸收特征。图2D中沿AC和ZZ的反射相位在腔共振附近显示出强烈差异。综上所述,这些结果表明反射光具有明显的偏振转换潜力。为了通过实验证明TLBP各向异性的宽带特性,从五个有代表性的异质结构测量反射强度(图2E),图2F-J表明所有器件都可以看到有效的偏振转换,证实了TLBP中各向异性的宽带特性与腔模式耦合。


图2.用于偏振转换和大各向异性带宽实验演示的示例腔设计

【偏正转换的空间映射】

基于平面异质结构的光腔可以作为任何空间变化特征的敏感探针,例如介电无序或黑磷厚度,这是理解偏振转换动力学的关键。针对异质结构器件D4测量的椭圆度(图3A)和方位角(图3B)的空间假彩色图显示了腔共振附近的四种不同波长,表明偏振转换具有强烈的空间变化。图3C-D显示在三层区域看到强偏振转换。图3E主要是为了、在空间上帮助可视化方位角和椭圆度的协变。图3F、3G分别绘制了70nm(1450至1520nm)带宽上最大椭圆度的空间图和相应的共振波长。尽管光谱分布相当广泛,但总体上达到的最大椭圆度是相对均匀的。


图3.通过偏振转换探测的光学各向异性的空间映射

【电可调偏振动力学】

本工作的关键结果,即不同偏振参数的电可调性,总结为图4中的器件D1。斯托克斯强度(S0)和三个归一化的斯托克斯参数(s1,s2,s3)完全表征了器件引起的偏振转换(图4A-D)。可以看出,由于强腔和TLBP相互作用,所有三个s参数都在共振(~1440nm)附近有效调谐,空穴掺杂增加。S0(图4A)与掺杂的光谱变化表明,在~–18V处实现了与腔的最强耦合。此外,在所有三个s参数中(图4B-D),可以看出由于激子各向异性降低引起的共振的整体幅度的抑制。此外,由于沿交流方向的损耗被抑制,上述特征的线宽随着电压的增加而减小。图4E在庞加莱球上显示了九种不同波长的此类轨迹,证明了可调谐半波片操作。在其他波长下,可以展示各种各样的椭圆偏振态。图4F更好地说明了四分之一波片和半波片状操作,以及其他中间偏振转换配置。在这些电压相关偏振转换测量中观察到的一般趋势是,在掺杂TLBP后,庞加莱球上的光谱轨迹可以折叠成一个点,这是电可调各向异性抑制的表现因此,在接近电荷中性的掺杂条件下,轨迹越大,通过施加电压获得大范围极化状态的能力就越高。


图4.电可调偏振动力学

【总结】

研究人员展示了一种能够进行多功能电光偏振转换的活性纳米光子结构。使用夹在形成腔的电门之间的三层黑磷,表明跨电信波长的光的偏振态可以电切换。这种控制可用于通信、成像和光束控制中的许多应用,其中可以主动操纵传播光的波前。偏振转换的高动态范围可能为实现纳米级BP电光偏振转换器的密集集成阵列开辟了一条途径,作为超越铌酸锂中的离散介质偏振转换器或基于微米级液晶空间光调制器的阵列的基本步骤。结合之前关于高速BP电光响应的报告和BP薄膜的厘米级层控生长的最新进展表明可能出现大面积、宽带偏振选择性传感、光电检测和有源电光调制的可能性。

【参考文献】

1.https://www.nature.com/articles/s41586-021-03701-1

2.https://www.nature.com/articles/s41586-021-03683-0

3.https://www.nature.com/articles/s41586-021-03449-8

4.https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaz9146

5.https://www.science.org/doi/10.1126/science.aav5842

6.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj7053

来源:高分子科学前沿

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