中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-041）——单层直接带隙二维材料对可见光的高效相位调控

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工作简介

         ——单层直接带隙二维材料对可见光的高效相位调控

与传统集成电路相比，集成光子系统具有速度快，容量大和保密性强的显著优势。将光子学器件制备在单一半导体基片上，实现同平台的光激发、调控和探测是构建全光集成系统的核心条件。得益于其直接带隙特性，单层过渡金属硫化物（TMD）二维半导体材料在构建超薄光电集成应用中展现了巨大潜力。但受限于趋于物理极限的厚度特性和有限的折射率实部(n)，光程累积效应导致的光学相位调控能力较差。同时较高的折射率虚部（k）所带来的光学损耗也成为其构建全光集成系统的主要制约因素。

最近，暨南大学光子技术研究院李向平教授与澳大利亚国立大学Yuerui Lu教授等团队合作，深入研究了损耗辅助的光学相位奇点（Singularity）效应，变废为宝，让材料的损耗在光学相位调控机制中起主要作用。通过调控系统的辐射损耗和吸收损耗的竞争关系，合理设计结构参数，成功的在单层MoS₂材料体系上实现了对可见光535 nm波长π的反射相位跃变，相位调控能力比MoS₂的物理厚度高350倍（图1）。结合飞秒激光直写技术，在单层MoS₂薄膜上构建了二元相位型平面超临界透镜，获得了远场超越衍射极限的光学聚焦。

图1. 基于损耗辅助光学相位奇点，及单层MoS₂材料对可见光的高效相位调控。

同时，得益于MoS₂在可见光波段显著的损耗色散特性，当把MoS₂薄膜从单层拓展到双层时，相位调控能力的响应带宽会极大扩展。利用该特性，他们在理论和实验上展示了一系列的宽带响应二元光子器件，包括宽谱超衍射极限聚焦的平面超临界透镜（图2），大尺度多色高保真全息光学器件（图3），以及宽谱响应二元相位光栅等。该工作为二维半导体材料在波前调控方面的应用提供了新思路，结合单层TMD材料的直接带隙特性，为构建微型化的全光集成系统提供了可行的方案。

图2. 原子层厚度平面超临界透镜及其宽谱超衍射极限聚焦能力。

图3. 原子层厚度MoS₂薄膜上的高保真多色光学全息图。

相关成果以π-phase modulated monolayer supercritical lens为题，于2021年1月发表在Nature Communications，12，32(2021)上。暨南大学秦飞副教授和澳大利亚国立大学博士生Boqing Liu为该文章的共同第一作者。暨南大学李向平教授和澳大利亚国立大学Yuerui Lu教授为共同通讯作者。

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作者简介

第一作者

秦飞，博士，副教授，博士生导师。

长期从事微纳结构对光场的特殊调制，及其在超分辨成像领域的应用基础研究。以第一作者和通讯作者在 Nature Communications, Science Advances, Advanced Materials等刊物发表文章20余篇，总引用2500余次，相关研究成果多次被Nature Physics等期刊媒体亮点报道。主持广东省杰出青年科学基金、国家自然科学面上基金等项目。

第一作者

Boqing Liu is a PhD candidate under the supervision of Associate Professor Yuerui Lu in the Research School of Electrical, Materials and Energy Engineering, ANU.

He received his B.E degree in Material and Mechanical Engineering from the Australia National University, and now he is a PhD candidate under the supervision of Associate Professor Yuerui Lu in the Research School of Electrical, Materials and Energy Engineering, ANU. His research interests include strain-engineering induced electrical, linear and nonlinear optics studies of two-dimensional materials.

通讯作者

Yuerui Lu is a full Professor at Australian National University (ANU).

He received his Ph.D. degree from Cornell University, the school of Electrical and Computer Engineering. He holds a B.S. degree in Applied Physics from University of Science and Technology of China. Currently, he is leading the Nano-Electro-Mechanical System (NEMS) Lab at the ANU. His research interests include MEMS/NEMS sensors and actuators, nanomanufacturing technologies, renewable energy harvesting, biomedical novel devices, and 2D materials and devices.

通讯作者

李向平，暨南大学光子技术研究院教授、博士生导师。

主要研究领域包括超构表面、纳米光学、超分辨及多维光存储技术等。在包括Science, Nature Photonics, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Light Science & Applications等国际期刊发表论文150余篇。主持国家科技部重点专项课题、国家基金委优青项目、广东省珠江人才计划创新团队等项目。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-20278-x

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

扩展阅读

 

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