二维层状材料的偏振光学特性研究

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光的偏振在通信、显示成像、探测传感等领域被广泛研究和应用。传统的偏振光产生和检测方法是利用偏振片和波片等光学元件,但这不仅伴随着光强的衰减,也不利于器件的集成。若材料本身具有偏振的光学特性,便可以很好的解决这一问题。因此探索和研究具有偏振特性的材料对偏振光的应用具有重要意义。近年来,许多二维层状材料表现出独特的偏振光学特性,成为了偏振光电子器件研究的热门材料之一。因此本文就二维层状钙钛矿材料Cs2PbI2Cl2以及单层过渡金属硫族化物WSe2的偏振特性进行了研究,主要内容如下:(1)二维层状钙钛矿Cs2PbI2Cl2中基于光学各向异性的线偏振特性:首先,本文利用水相法合成了二维层状钙钛矿Cs2PbI2Cl2晶体并对其进行了结构表征与光谱分析。X射线衍射能谱与扫描电子显微图像表明该晶体具有良好的结晶性。光谱分析结果表明该晶体具有三个激子发光峰,分别是自由激子峰X0、自陷态激子峰X1与X2。随后,本文研究了Cs2PbI2Cl2晶体的偏振发光特性并分析了其光学各向异性的来源。偏振分辨的光致发光发射光谱表明Cs2PbI2Cl2晶体三个激子峰的线性二色比最高分别可达3.57、3.78、9.57。进一步,偏振分辨的光致发光激发光谱、激子扩散以及拉曼散射光谱证明Cs2PbI2Cl2晶体的光学各向异性实际来源于其晶格扭曲。最后,本文研究了Cs2PbI2Cl2晶体的偏振反射特性,其结果也侧面印证了晶体的结构扭曲,线性二色比最高可达1.90。而光电流的偏振响应则表明了材料在光电探测器方面的应用潜力,其线性二色比为1.19。(2)基于金属微结构的单层WSe2圆偏振特性调控:首先,本文基于单层过渡金属硫族化物谷激子的圆偏振发光特性,在金属表面设计了凹槽结构并对圆偏光与凹槽结构的耦合进行了仿真计算。凹槽结构的参数为周期500 nm、宽度150 nm、深度30 nm。仿真结果显示不同圆偏光激发的表面等离极化激元场可在凹槽中实现非对称传播,从而实现圆偏光的分离。随后,本文利用聚焦离子束刻蚀加工出了金属凹槽结构并制备了单层WSe2与凹槽结构耦合的器件。实际器件的测量结果也证明了凹槽结构对单层WSe2中谷激子圆偏振发光的分离作用。最后,本文又结合仿真和角分辨光谱分析了实际器件中心区域材料凹陷的问题,证明了实验结果中只有一侧极化率对比明显的现象是由材料光发射角倾斜所致。
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