等离激元双重奏：二维激子上转换巨增强
随着光电子器件尺寸不断减小，能耗密度和热流密度持续增加，热管理成为制约其性能和可靠性的关键因素。固体材料中热能以声子的形式存在，1929年Pringsheim提出高效的声子辅助上转换荧光可以通过高能量光子辐射带走大量声子，降低物体温度，有效消除或降低器件热效应，从而实现光制冷。随后苏联著名物理学家朗道给出了完整的热力学理论解释。光学制冷具有无机械振动、无需制冷剂、体积小、易集成等优势，未来有望颠覆现有制冷技术，实现集成光电器件的无振动无冷却剂全固态制冷。
选择合适的材料体系，是实现高效的声子辅助上转换发光和激光制冷的关键。近年来，过渡金属硫族化合物（Transition metal dichalcogenide, TMDC）单层由于优越的光电特性受到广泛关注。在TMDC单层中，由于原子层厚度的量子限域效应，二维激子呈现出偶极矩强度大、线宽窄、无序性低、束缚能高（~100 meV量级）等特征，可在室温下稳定存在，与光子耦合强度大，为实现高效室温声子辅助上转换发光效应创造了有利条件。目前，国内外课题组在本征TMDC单层中已证明二维激子体系上转换发光效应的存在。然而，受激发光与TMDC单层作用距离限制，面向光制冷应用，二维激子上转换效率仍需进一步提升。
针对该问题，近日南开大学现代光学研究所齐鹏飞副研究员与北京大学物理学院方哲宇教授团队基于等离激元腔局域场增强效应和Purcell自发辐射增强效应，双管齐下，实现了二维激子体系声子辅助上转换发光双共振增强。如图1a所示，研究人员设计制备的双共振等离激元微腔自下而上由基底、金纳米层、隔离层、二维材料层、隔离层、金纳米颗粒组成，调控金纳米颗粒尺寸及其与金纳米层间距等多重自由度，可实现金纳米颗粒等离激元模式与入射光子、激子发射光子双重共振（图1b）。
图1.（a）等离激元微腔增强激子上转换发光器件原理示意图；（b）激子上转换发光与等离激元微腔双重共振模式示意图。
改变激发功率，测量硅衬底和等离激元腔耦合WSe2单层的激子上转换光谱，通过数据处理得到不同激发功率下上转换发光强度与增强系数。考虑到激发区域内仅金纳米颗粒附近实现了有效双共振增强，结合激发光斑和微腔尺寸，最终证明双共振微腔将二维激子上转换发光增强约1000倍，饱和阈值功率下降2~3个数量级。
最后，基于飞秒泵浦探测技术，研究了二维激子-微腔光场耦合体系自发辐射速率增强现象，即Purcell效应（图2）。基于硅衬底和等离激元腔耦合WSe2单层中典型的泵浦探测信号，通过双指数拟合提取非辐射和辐射分量的超快弛豫过程，证明了等离激元微腔中激子自发辐射寿命由于Purcell效应降低了一个数量级以上。
图2. 等离激元微腔中Purcell效应调控激子超快弛豫示意图与典型泵浦探测信号。
该研究基于局域场增强效应和Purcell自发辐射增强效应，通过等离激元微腔双重共振，实现了二维激子体系声子辅助上转换发光巨增强，为二维激子上转换发光增强提供了新的思路。在探索二维激子——强电子-声子耦合体系中上转换发光效应道路上又进一步，为实现激子型激光净制冷效应奠定了坚实基础。
该研究以"Giant excitonic upconverted emission from two-dimensional semiconductor in doubly resonant plasmonic nanocavity"为题在线发表在Light: Science & Applications。
Qi, P., Dai, Y., Luo, Y. et al. Giant excitonic upconverted emission from two-dimensional semiconductor in doubly resonant plasmonic nanocavity. Light Sci Appl 11, 176 (2022). https://doi.org/10.1038/s41377-022-00860-2
