导读

     近日，山东大学物理学院陈峰课题组与武汉大学物理科学与技术学院任峰课题组在离子束合成纳米颗粒实现二维材料的光致发光增强取得进展。实验上利用低能银离子注入在熔融石英（二氧化硅）基底中成功制备纳米颗粒，由于局域表面等离激元共振下银纳米颗粒的近场增强作用，转移在离子束修饰后基底上的单层二硫化钨（WS₂）实现了10倍以上的光致发光增强。研究成果“Surface plasmon enhanced photoluminescence of monolayer WS₂ on ion beam modified functional substrate”发表在《Applied Physics Letters》上，并入选为“Editor’s pick”。

研究背景

      近年来, 由于在可见光和近红外波段优异的光电子性能，二维(2D) 过渡金属二硫化物 (Transition Metal Dichalcogenides, TMDCs) 在下一代光电和光子器件中展现出巨大的应用潜力。然而, 其原子层的厚度限制了其光捕获能力,不利于其未来的实际应用。发展有效的方法来实现二维TMDCs中光-物质相互作用增强对于改进向下一代光电器件的功能至关重要,也是近年来的研究热点之一。利用局域表面等离激元共振可以实现这一目标，在共振波段内，金属纳米颗粒 (Nanoparticles, NPs) 或纳米结构中自由电子的集体振荡显著增强了周围纳米尺度内的光学响应，最终实现二维材料中光-物质相互作用增强[1-2]，如光致发光增强（Photoluminescence, PL）[3]。然而，其传统化学方法合成的纳米颗粒或者电子束刻蚀的纳米结构具有化学不稳定性，其增强效果的稳定性不能得到保证。此外，实现大面积，低成本的均匀纳米结构对于其表面等离激元-二维材料复合体系的实际应用尤为关键。因此，发展新的满足上述条件的制备方法具有重要意义。

创新研究

      离子束制备和操控纳米颗粒技术已经逐渐成熟，利用离子束技术可以在不同的介电材料中实现快速，大面积，低成本的嵌入式纳米颗粒制备[4]。首先利用离子束技术，在熔融石英（SiO₂）基底成功合成了嵌入式银纳米颗粒。利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对其纳米颗粒形貌进行表征，纳米颗粒分布为一个准二层结构：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离子注入示意图，高分辨率电子显微镜表征，及测量的制备样品的消光谱。

图 2. (a) Ag NPs-WS2复合结构中的PL激发示意图。(b) 样品WS₂:SiO₂和WS₂:AgNPs:SiO₂的PL谱。插图为样品PL强度随激发功率密度变化图。(c)和(d)分别是样品WS₂:SiO₂和WS₂:AgNPs:SiO₂的PL mapping。

      在激发波长473 nm和532 nm下, 观测到WS₂:AgNPs:SiO₂样品中超过一个数量级的PL增强，在室温条件下存放了四个月后，其增强效果保持与原来一致。在mapping图中也可以观测到其PL增强十分均匀，而不是在特定位置选择性的增强。同样，由于近场增强效应，单层WS₂在473 nm激发下，也观测到了9倍的拉曼信号增强。

图 3. 473 nm波长激发下的PL增强和拉曼信号增强。

图 4. y-z平面中 Ag NPs 近场分布模拟以及计算的基底表面上近场增强。

      利用COMSOL Multiphysics模拟了嵌入式银纳米颗粒的LSPR效应，模拟结果以及验证性实验（见原文）最终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能性基底上单层WS₂实现了超过一个数量级的光致发光信号增强。

离子束修饰的功能性基底主要有以下显著特点：（1）可实现快速，低成本，大面积（圆晶级）制备；（2）由于周围介电材料的保护，纳米颗粒具有极强的环境稳定性；（3）不同于覆盖在二维材料表面的纳米颗粒，其嵌入式纳米颗粒分布在二维材料下，可以实现高密度的分布且不会阻挡入射光；（4）其制备方法大大简化了表面等离激元-二维材料复合结构的制备流程，离子束修饰的功能性基底是基于二维材料常用的二氧化硅基底，二维材料可以直接转移在制备好的功能性基底上，具有普适性。

总结

      利用低能银离子注入在熔融石英（SiO₂）基底中成功制备了银纳米颗粒，修饰后的功能性基底使得表面的单层WS₂实现一个数量级以上的光致发光增强，此工作为表面等离激元-二维材料复合体系的实际应用提供了一种新的制备策略。

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

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

本文转自：https://mp.weixin.qq.com/s/l4Q96sODQnEuQiRd3XiFdQ

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