博士生侯世坤同学在国际物理权威期刊Applied Physics Letters上发表论文

      近日，课题组成员侯世坤同学在刘老师的指导下，以第一作者在国际物理权威期刊《应用物理快报》(Applied Physics Letters上发表题为 “Efficient Gate-Tunable Exciton–Trion Conversion in Atomically Thin WSe₂ at Sub-Volt Thresholds”(亚伏阈值下原子级薄 WSe₂ 中高效栅控可调的激子–三粒子转化特性)的实验论文。

图：亚伏阈值下原子级薄 WSe₂ 中高效栅控可调的激子–三粒子转化特性

      原子级薄的过渡金属二硫属化物(TMDs)已成为探索多体相互作用和纳米尺度强光–物质耦合的卓越平台。由于其介电屏蔽减弱以及显著的量子限域效应，单层 TMDs 能够形成高结合能的紧束缚激子。 在光学激发下，这类材料会产生丰富的激子类准粒子谱系——包括中性激子和三粒子激子 (trions)——其种群分布对局域电子环境极为敏感。 对激子–三粒子激子的相互转化进行调控，尤其在光电子学与量子信息技术中具有重要吸引力，因为三粒子激子相比中性激子展现出自旋分裂、辐射寿命及结合能等独特光学特性，从而可实现定制化的光学响应。 然而，实现高效且可逆的激子态切换往往需要较高的栅压或复杂的器件结构，这成为高度集成、低功耗激子电路实用化的重大障碍。

      应变工程为调控二维(2D)半导体电子结构和光学特性提供了一种强大且无损的方法。得益于单层 TMDs 强健的面内键合和优异的机械柔韧性，它们能够承受远超传统体材料的巨大应变而不发生结构破坏。这种应变工程能够诱发多种新奇现象，包括带隙调谐、激子汇聚以及局域量子发射体的形成。 尤其是纳米尺度的面外结构特征——如凹陷或穹顶状突起——可产生远强于传统单轴方案的强局域双轴应变，从而显著提升光电性能和激子灵敏度。 此类应变分布还可增强激子–等离激元耦合，实现低功耗、动态可调的激子态调控，为高度集成的光电子和量子器件奠定基础。

    在本研究中，我们展示了一种基于单层 WSe₂ 与金微柱阵列集成的电可调激子平台。金微柱顶端所引入的局域面外应变能够在超低栅压下实现三粒子激子与中性激子之间的可逆切换。在这种应变调控的 WSe₂/S-μP 异质结构中，三粒子激子的形成阈值电压被降低至仅 0.6 V，约为此前报道阈值的 1/33。器件在周期性栅控下表现出稳健且可重复的激子–三粒子切换，确保了可靠的调制性能。实验测量与模拟结果表明，增强的激子可调性源于应变诱导的能带结构修饰与微柱顶端局域表面等离激元共振之间的协同耦合。我们的研究为 TMDs 中动态激子调控提供了一种可扩展且高能效的方案，直接推动了集成激子电路与量子光子系统的发展。

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This work presents a timely and impactful contribution to the field of excitonic optoelectronics by addressing one of its central challenges: efficient and low-power control of exciton–trion conversion in atomically thin semiconductors. The integration of monolayer WSe₂ with gold micropillar arrays provides an elegant and scalable strategy to introduce localized strain, which, in synergy with plasmonic field enhancement, enables reversible exciton–trion switching at a remarkably low threshold voltage of 0.6 V. This threshold represents nearly an order-of-magnitude improvement over prior reports, underscoring the effectiveness of the strain–plasmon coupling mechanism.

Beyond the significant reduction in power consumption, the demonstration of robust and repeatable switching under periodic gating establishes a practical route toward exciton-based logic operations, including binary encoding and signal inversion. The combined experimental and theoretical analysis convincingly links the observed behavior to strain-induced band structure modulation and plasmonic resonance, offering clear mechanistic insight.

Overall, this study advances the state-of-the-art in excitonic device engineering by bridging the gap between fundamental exciton physics and functional device integration. The approach outlined here not only enriches the toolbox for exciton manipulation in two-dimensional semiconductors but also holds strong promise for enabling the next generation of low-power excitonic circuits and quantum photonic technologies.