导读

克日，山东大学物理学院陈峰课题组与武汉大学物理科学与技能学院任峰课题组在离子束合成纳米颗粒实现二维质料的光致发光加强取得希望。试验上使用低能银离子注入在熔融石英（二氧化硅）基底中乐成制备纳米颗粒，因为局域外貌等离激元共振下银纳米颗粒的近场加强作用，转移在离子束修饰后基底上的单层二硫化钨（WS2）实现了10倍以上的光致发光加强。研究结果“Surface plasmon enhanced photoluminescence of monolayer WS2 on ion beam modified functional substrate”颁发在《Applied Physics Letters》上，并入选为“Editor’s pick”。

研究配景

比年来, 因为在可见光和近红外波段优秀的光电子性能，二维(2D) 过渡金属二硫化物 (Transition Metal Dichalcogenides, TMDCs) 鄙人一代光电和光子器件中展示出庞大的应用潜力。然而, 其原子层的厚度限定了其光捕捉本领,倒霉于其将来的现实应用。进展有用的要领来实现二维TMDCs中光-物质相互作用加强对付革新向下一代光电器件的功效至关紧张,也是比年来的研究热门之一。使用局域外貌等离激元共振可以实现这一目的，在共振波段内，金属纳米颗粒 (Nanoparticles, NPs) 或纳米布局中自由电子的团体振荡明显加强了四周纳米标准内的光学相应，终极实现二维质料中光-物质相互作用加强[1-2]，如光致发光加强（Photoluminescence, PL）[3]。然而，其传统化学要领合成的纳米颗粒大概电子束刻蚀的纳米布局具有化学不稳健性，其加强成效的稳健性不克不及得到包管。别的，实现大面积，低本钱的匀称纳米布局对付其外貌等离激元-二维质料复合体系的现实应用尤为要害。是以，进展新的餍足上述条件的制备要领具有紧张意义。

创新研究

离子束制备和操控纳米颗粒技能已经渐渐成熟，使用离子束技能可以在差别的介电质料中实现快速，大面积，低本钱的嵌入式纳米颗粒制备[4]。起首使用离子束技能，在熔融石英（SiO2）基底乐成合成了嵌入式银纳米颗粒。使用高辨别透射电子显微镜（HRTEM）对其纳米颗粒形貌举行表征，纳米颗粒漫衍为一个准二层布局：纳米颗粒层1 (layer 1)与纳米颗粒层2 (layer 2)。然后，将化学气相沉积法合成的单层WS2 flakes分别转移到二氧化硅基底和离子束修饰后的二氧化硅基底上，得到制备样品。

图1. Ag离子注入表示图，高辨别率电子显微镜表征，及丈量的制备样品的消光谱。

图 2. (a) Ag NPs-WS2复合布局中的PL引发表示图。(b) 样品WS2:SiO2和WS2:AgNPs:SiO2的PL谱。插图为样品PL强度随引发功率密度改变图。(c)和(d)分别是样品WS2:SiO2和WS2:AgNPs:SiO2的PL mapping。

在引发波长473 nm和532 nm下, 观察到WS2:AgNPs:SiO2样品中凌驾一个数目级的PL加强，在室温条件下存放了四个月后，其加强成效连结与本来同等。在mapping图中也可以观察到其PL加强非常匀称，而不是在特定位置选择性的加强。同样，因为近场加强效应，单层WS2在473 nm引发下，也观察到了9倍的拉曼信号加强。

图 3. 473 nm波长引发下的PL加强和拉曼信号加强。

图 4. y-z平面中 Ag NPs 近场漫衍模仿以及盘算的基底外貌上近场加强。

使用COMSOL Multiphysics模仿了嵌入式银纳米颗粒的LSPR效应，模仿效果以及验证性试验（包涵文）终极证明熔融石英基底中浅层的纳米颗粒以及纳米颗粒之间的相互作用使得功效性基底上单层WS2实现了凌驾一个数目级的光致发光信号加强。

离子束修饰的功效性基底重要有以下明显特点：（1）可实现快速，低本钱，大面积（圆晶级）制备；（2）因为四周介电质料的爱护，纳米颗粒具有极强的情况稳健性；（3）差别于笼罩在二维质料外貌的纳米颗粒，其嵌入式纳米颗粒漫衍在二维质料下，可以实现高密度的漫衍且不会拦截入射光；（4）其制备要领大大简化了外貌等离激元-二维质料复合布局的制备流程，离子束修饰的功效性基底是基于二维质料常用的二氧化硅基底，二维质料可以直接转移在制备好的功效性基底上，具有普适性。

总结

使用低能银离子注入在熔融石英（SiO2）基底中乐成制备了银纳米颗粒，修饰后的功效性基底使得外貌的单层WS2实现一个数目级以上的光致发光加强，此事情为外貌等离激元-二维质料复合体系的现实应用提供了一种新的制备计谋。

参考文献

1. X. Li, J. Zhu, B. Wei, “Hybrid nanostructures of metal/two-dimensional nanomaterials for plasmon-enhanced applications,” Chem. Soc. Rev. 45 (11), 3145-3187 (2016).

2. H. Wang, S.S. Li, R.Q. Ai, H. Huang, L. Shao, J.F. Wang, “Plasmonically enabled two-dimensional material-based optoelectronic devices,” Nanoscale 12 (15), 8095-8108 (2020).

3. S. Butun, S. Tongay, K. Aydin, “Enhanced Light Emission from Large-Area Monolayer MoS2 Using Plasmonic Nanodisc Arrays,” Nano Lett. 15 (4), 2700-2704 (2015).

4. R. Li, C. Pang, Z. Li, F. Chen, “Plasmonic Nanoparticles in Dielectrics Synthesized by Ion Beams: Optical Properties and Photonic Applications,” Adv. Opt. Mater. 8 (9), 1902087 (2020).

文章链接

http://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0054333

本文转自：

http://mp.weixin.qq.com/s/l4Q96sODQnEuQiRd3XiFdQ

猎取更多前沿动态，接待搜刮存眷民众号：

等离激元前沿