导读

原子级厚度的半导体具有可调谐的激子共振特性，可在超紧凑元器件中实现可见光的动态调控。然而，室温下激子快速的非辐射衰减与退相现象，使得当前有源激子超表面的效率极低，仅能达到百分之几。因此，来自荷兰阿姆斯特丹大学的研究人员充分利用原始二维异质结构与非局域介电超表面的综合优势，增强激子与光的相互作用，在室温环境下的混合二维激子超表面中实现了电可调的激子-光子强耦合。并基于此研发了一种自由空间光调制器，实现了9.9 dB的反射率调制。为有源波前调控以及光通信的纳米器件提供了新的方法。

该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Electrically tunable strong coupling in a hybrid-2D excitonic metasurface for optical modulation”。

研究背景

范德瓦尔斯材料及其异质结结构是光子学领域中极具变革型的材料平台。其中单层二维半导体材料具有独特的强激子共振特性，使得其在原子级厚度晶体的光学特性中，激子共振占主导地位。另外，由于激子对外部刺激高度敏感，目前使用共振金属或介电纳米结构能够产生较强的光与物质的相互作用。但是，等离激元共振与几何共振的可调性较弱，导致动态超表面的研究成果较为有限。

因此，研究方向开始转向利用二维材料中激子的高可调性并成功制备出了可调谐激子超表面，但由于原子级的厚度，以及室温下非辐射衰减通道和退相现象导致的激子跃迁严重衰减，超表面的效率仅能维持在百分之几的水平。研究人员将二维材料放置在光学共振纳米结构附近，以利用强大的波塞尔增强效应，但是相应的结构存在与传统工艺不兼容、仅限于低温条件等问题。因此，将异质结与超表面结合，有望成为低温范围外的有源光调控的新途径。

创新研究

研究人员首先展示了其自由空间光调制器的结构示意图（图1a），器件性能源于单层二维半导体与介电超表面的协同作用。这种混合二维调制器是通过对原子级厚度的二硫化钨中激子共振的电调控，结合导模共振所提供的电磁场增强效应，实现对入射光场的强调制。

图1. 混合二维光调制器

进一步，研究人员详细阐述了通过优化设计（图2），使得在激子猝灭状态下实现完美吸收，同时在非猝灭状态下实现较强的激子-光子耦合，从而最大化调制效率。为此，研究人员采用严格耦合波分析（RCWA）模拟，对异质结构腔的尺寸以及光栅的单位元胞进行优化。从结果中也可以看出将二维半导体集成到混合超表面结构中，可显著提高激子的调制深度。

图2. 混合二维超表面的纳米光子设计

图3.基于混合二维超表面静电栅极调控的自由空间光调制

为验证该设计方案，研究人员采用干法转移技术，将机械剥离的WS?和hBN薄片组装在预图案化的金电极上。通过电子束光刻技术，在旋涂的化学半增强抗蚀剂（CSAR）层中制备亚波长光栅，从而实现异质结构腔的功能化（图 3a），并通过原子力显微镜验证了结构的均匀性（图3b）。后续对实验中的背焦面成像光谱角分辨色散、偏振反射光谱以及调制深度进行了测量和分析。

图4. 基于静电栅极调控的可调强耦合

最后，为深入了解调控超表面光学响应的基本速率和电压的依赖关系，研究人员在±25 V的栅极电压范围内，以5 V为间隔测量了正入射反射率（图4a）。后续，研究人员通过严格耦合波分析（RCWA）和耦合模理论（CMT）模型进行对比分析，从实验数据中量化了特征衰减率和耦合率。结果发现，严格耦合波分析模型仍能很好地捕捉调制器的电压依赖光学响应（图4b），在强n型掺杂状态下（+25 V），衰减率增加了4倍（图4c）。

总结与展望

本文中，研究人员提出了混合二维激子超表面方案，结合范德瓦尔斯异质结构的优异激子特性与非局域介电超表面的强光与物质的相互作用，在室温下实现强且电可调的激子-光子耦合。通过调控单层WS?的载流子浓度，使器件在强弱耦合间切换，并揭示栅极诱导的自由载流子浓度通过改变激子非辐射衰减率，使介导器件电致光学响应的机制。

该超表面设计简洁且兼容多种材料，可进一步优化以实现偏振无关响应及更多光学功能。尝试解决接触电阻导致的带宽局限，突破兆赫兹级调制，为超紧凑器件中动态波前调控、光通信等应用提供关键技术支撑，推动二维激子超表面在纳米光子学领域的实用化发展。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02079-3