CN113265238A - 双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法 - Google Patents

双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法，所述方法包括分别制备银纳米线和载有单层二硫化钼的硅片衬底；之后将银纳米线滴在载有单层二硫化钼的硅片衬底上；然后选取带有双根纳米天线的二硫化钼即可。本发明提供的方法一方面二硫化钼薄膜发出的光可以被纳米天线定向散射，避免了非定向发射造成的损耗；另一方面利用双根纳米线间隙可以将激发光高度局域，激发间隙等离子体，间隙等离子体衰减时，可以释放其它波长的光，匹配二硫化钼的荧光峰位置，通过珀塞尔效应极大增强二硫化钼的荧光。

Description

双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，尤其是涉及一种双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法。
背景技术
近年来过渡金属硫族化合物二维半导体材料的研究受到外界广泛的关注。这些二维材料有共同的特点，面内存在着较强的共价键相互作用，面与面之间靠弱的范德瓦斯力连接，因此优点可以制备出原子厚度级别的单层膜。随之过渡金属硫族化合物原子薄膜作为一种研究激子-等离子体耦合的新体系正在兴起，单层MoS2在可见光波段表现出荧光(PL)作为其直接带隙。与零、一维发射体相比，单层没有层间相互作用，表现出了极大的灵活性和功能性。然而，由于MoS2的亚纳米厚度，单层MoS2吸收较低，导致低荧光(PL)收率。为了增强单层MoS2的发射，新加坡南洋理工大学Xing Yi Ling教授课题组利用单个Ag纳米天线演示了对单层MoS2的局域荧光(PL)操纵。采用不同形貌的银纳米天线控制银的局域表面等离子体激元与MoS2带隙之间的光谱重叠实现了单层二硫化钼的荧光(PL)从减弱发射到增强发射的变化。由于单层二硫化钼材料属于各向同性类似于偶极子发射，裸露的单层二硫化钼薄层荧光发射方向是非定发射的，如何将二硫化钼的荧光发射实现定向发射有其重要的意义。由于发射方向依赖于电磁环境，因此通过改变光子环境控制发射方向。N.F.VANHULST等人通过单分子与光学单极子天线的可逆耦合实验证明了对单个分子发射方向的控制。展示了耦合系统的角发射是如何由主天线模式决定的，即天线设计与分子取向无关。这一结果也揭示了等离子体振子模式在发射过程中的作用。在2018年美国斯坦福大学Geballe先进材料实验室Brongersma课题组用修正后的Mie散射理论和实验来演示利用发射偶极子与硅纳米线的光学共振的相干耦合来控制方向性、偏振态和光谱发射的几种途径。实验结果表明，介质天线可以有效地降低从量子发射器到高折射率衬底的非期望发射。利用直观的解析模型，将传统的Mie理论推广到利用电偶极子源来解释观测到的多极方向性，以上两研究都是以单根纳米线为核心来实现对光发射方向的控制。
因此，如何降低单根纳米线非定向发射造成的损耗，并提高二硫化钼的发射效率，成为人们亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法，以解决现有技术中如何降低单根纳米线非定向发射造成的损耗，并提高二硫化钼发射效率的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法，包括分别制备银纳米线和载有单层二硫化钼的硅片衬底；之后将银纳米线滴在载有单层二硫化钼的硅片衬底上；然后选取带有双根纳米天线的二硫化钼即可。
进一步的，所述单层二硫化钼的制备方法，包括以下步骤：
(1)从样品盒中取出二硫化钼块体材料，用镊子固定二硫化钼块体材料一边，将其置于胶带带有粘性一面的表面中心处，然后以样品为中心多次对折；
(2)取另一条胶带，将胶带粘性面与步骤(1)多次对折后粘有二硫化钼的胶带面粘贴在一起，然后将其分开，反复进行3-5次以此获得单层及少数层二硫化钼；
(3)将步骤(2)最后一次分开后的胶带水平放置，其中，带有二硫化钼材料的一面向上，之后将切好的硅片衬底光面朝下放在带有二硫化钼材料的胶带上，使硅片与二硫化钼材料充分接触，期间避免有气泡产生，然后将粘有硅片的胶带硅片向下放在加热台上加热，加热后将胶带与硅片衬底分离开，获得载有单层二硫化钼的硅片衬底。
进一步的，所述的步骤(2)还包括将两个胶带端部对齐，使其粘性面接触后，去除两胶带中间的气泡，之后再分开两胶带。
进一步的，所述双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法还包括重复多次分开两胶带，以获得二硫化钼。
进一步的，步骤(3)中硅片与二硫化钼材料充分接触后的加热温度为90℃，加热时间3min。
进一步的，所述银纳米线的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、分别称取AgNO3、PVP、NaCl和乙二醇，备用；
步骤二、将PVP溶于乙二醇中搅拌，待乙二醇完全溶解后避光加入AgNO3，当AgNO3完全溶解后加入NaCl，搅拌后倒入反应釜中，之后放入加热箱中加热；
步骤三、加热停止后，将装有反应液的反应釜置于常温下使温度降到室温，然后打开反应釜将上部分液体倒入离心管中作为废液处理掉，然后对反应釜中剩余絮状物用无水乙醇冲洗，冲洗出来的纳米线置于离心管中保存，冲洗直到无絮状物为止，取最后一次稀释液1mm用无水乙醇稀释10倍，用酒精丙酮交替洗涤多次，获得所述的银纳米线。
进一步的，步骤一中每10ml乙二醇对应AgNO3 1000mg、PVP 700mg、NaCl 5mg。
进一步的，步骤二中加热箱的加热温度为160℃，加热时间90min。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种半导体材料，包括载有单层二硫化钼的硅片衬底和布设在单层二硫化钼上的银纳米线，其中银纳米线的直径为50nm-500nm，长度为1um-30um。
本发明实施例具有如下优点：本发明实施例提供一种双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法，本申请的方法利用双根纳米线可以将光局限在纳米线间隙中，突破光的衍射极限，激发双根纳米线间隙等离子体，并且间隙等离子体衰减时，可以释放其它波长的光。双根纳米线的局域光子态密度决定了纳米线间隙等离子体的共振峰位置，双根纳米线的局域光子态密度，通常从求解格林函数虚部得到，局域光子态密度分为辐射局域光子态密度和非辐射局域光子态密度，本申请主要依赖辐射局域光子态密度，纳米线间隙的辐射局域光子态密度可以定向的传播给纳米线下面的物质(双根纳米线的结构形状决定了辐射局域光子态密度的传播方向)，从而在珀赛尔(purcell)效应的增强下，极大增强二硫化钼荧光(PL)的信号强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的双根纳米线的透射电镜图；
图2为本发明提供的双根纳米天线间隙腔的电场分布图；
图3为本发明提供的双根纳米线中间间隙处局域光子态密度的辐射方向示意图；
图4为本发明提供的单层二硫化钼在光学显微镜下的示意图之一；
图5为图4中二硫化钼上双根纳米天线的mapping图；
图6为本发明提供的单层二硫化钼在光学显微镜下的示意图之二；
图7为图6中二硫化钼上双根纳米天线的mapping图；
图8为本发明提供的单层二硫化钼在光学显微镜下的示意图之三；
图9为图8中双根纳米线在单层二硫化钼上的扫描电镜图；
图10为图9中二硫化钼在双根纳米线作用下荧光mapping图；
图11为本发明提供的纳米线存在时和无纳米线存在时的二硫化钼荧光光谱。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法，包括分别制备银纳米线和载有单层二硫化钼的硅片衬底；之后将银纳米线滴在载有单层二硫化钼的硅片衬底上；然后选取带有双根纳米天线的二硫化钼即可。
优选的，所述单层二硫化钼的制备方法，包括以下步骤：
(1)从样品盒中取出二硫化钼块体材料，用镊子固定二硫化钼块体材料一边，将其置于胶带带有粘性一面的表面中心处，然后以样品为中心多次对折；对折时注意样品与胶带之间不要产生气泡，撕开胶带时要迅速。
(2)取另一条胶带，将胶带粘性面与步骤(1)多次对折后粘有二硫化钼的胶带面粘贴在一起，然后将其分开，反复进行3-5次以此获得单层及少数层二硫化钼。
(3)将步骤(2)最后一次分开后的胶带水平放置，其中，带有二硫化钼材料的一面向上，之后将切好的硅片衬底光面朝下放在带有二硫化钼材料的胶带上，使硅片与二硫化钼材料充分接触，期间避免有气泡产生，然后将粘有硅片的胶带硅片向下放在90℃加热台上加热3min，加热后将胶带与硅片衬底分离开，获得载有单层二硫化钼的硅片衬底。
优选的，所述的步骤(2)还包括将两个胶带端部对齐，使其粘性面接触后，去除两胶带中间的气泡，之后再分开两胶带。
优选的，所述双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法还包括重复多次分开两胶带，以获得二硫化钼。
优选的，所述银纳米线的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、分别称取AgNO3、PVP、NaCl和乙二醇，备用；
步骤二、将PVP溶于乙二醇中搅拌，待乙二醇完全溶解后避光加入AgNO3，当AgNO3完全溶解后加入NaCl，搅拌后倒入反应釜中，之后放入加热箱中加热；
步骤三、加热停止后，将装有反应液的反应釜置于常温下使温度降到室温，然后打开反应釜将上部分液体倒入离心管中作为废液处理掉，然后对反应釜中剩余絮状物用无水乙醇冲洗，冲洗出来的纳米线置于离心管中保存，冲洗直到无絮状物为止，取最后一次稀释液1mm用无水乙醇稀释10倍，用酒精丙酮交替洗涤多次，获得所述的银纳米线。
优选的，步骤一中每10ml乙二醇对应AgNO3 1000mg、PVP 700mg、NaCl 5mg。
优选的，步骤二中加热箱的加热温度为160℃，加热时间90min。
实施例2
本实施例提供一种半导体材料，包括载有单层二硫化钼的硅片衬底和布设在单层二硫化钼上的银纳米线，其中银纳米线的直径为50nm-500nm，长度为1um-30um。
实验1
以下结合具体实验例对银纳米线的制备方法进行详细说明：
所述银纳米线的制备方法，包括分别称取AgNO3 1000mg、PVP 700mg、NaCl 5mg、乙二醇10ml，首先将700mgPVP溶于10ml乙二醇中搅拌，等乙二醇完全溶解后，在向其中加入1000mg AgNO3，同理当AgNO3完全溶解后，在加入3-5mgNaCl搅拌五分钟迅速将其倒入反应釜中，然后放入加热箱中加热，温度为160℃，加热时间90分钟。等加热时间停止后，将装有反应液的反应釜置于常温下使其温度降到室温，然后打开反应釜将上部分液体倒入离心管中当废液处理掉，然后对反应釜中剩余絮状物用无水乙醇冲洗，冲洗出来的纳米线置于离心管中保存，冲洗直到无絮状物为止，取最后一次稀释液1mm用无水乙醇稀释10倍，用酒精丙酮交替洗涤数次，获得所述的银纳米线。
图1是双根纳米线的透射电镜图TEM，比例尺为200nm，从图中可以看出实验室制备的纳米线非常光滑，可以确定双根纳米线之间的间距为10nm左右，黑色的为纳米线，直径为250nm。
图2是双根纳米线的局域电场分布，白色亮的为强电场，黑色的为弱的电场，强的电场将以局域光子态密度定向辐射给下面的二硫化钼材料，从图中可见纳米线间隙之间的电场强度非常强。
图3是仿真实验图，模拟双根纳米线中间间隙处局域光子态密度的辐射方向，可以看到更多的局域光子态密度是向下辐射作用在MoS2基底上。
图4为第一组补充数据的在光学显微镜下的片，基底上有通过CVD方法生长的单层二硫化钼。
图5为第一组样品所对应的mapping图，从中可以看出双根纳米线上有很强的荧光。
图6为第二组补充数据的在光学显微镜下的片，基底上有通过CVD方法生长的单层二硫化钼。
图7为第二组样品所对应的mapping图，从中可以看出双根纳米线上有很强的荧光。
图8为第三组具有代表性样品，是滴有双根纳米线的二硫化钼样品在光学显微镜下的图片，十字叉对应的地方为单层二硫化钼，上边有双根纳米线，其中二硫化钼是通过机械剥离法获得的。
图9与图8样品的光学显微镜图相对应，表示示双根纳米线放置在单层二硫化钼上的扫描电镜图。
图10表示二硫化钼在双根纳米线作用下荧光mapping图，其中纳米线的形貌与图9的扫描电镜图对应。
图11是图7的光谱图，是有纳米线存在时和无纳米线存在时的二硫化钼荧光光谱，可以看到，680nm荧光明显增强，很明显有纳米线存在时二硫化钼荧光强度明显高于无纳米线时的荧光强度。
其中，图5、7、10是带有双根纳米天线的二硫化钼的mapping成像结果，强的亮点是本申请产生的强的荧光信号，峰位在675-680nm，峰位中心在680nm。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法，其特征在于：包括分别制备银纳米线和载有单层二硫化钼的硅片衬底；之后将银纳米线滴在载有单层二硫化钼的硅片衬底上；然后选取带有双根纳米天线的二硫化钼即可。
2.根据权利要求1所述双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法，其特征在于，所述单层二硫化钼的制备方法，包括以下步骤：
(1)从样品盒中取出二硫化钼块体材料，用镊子固定二硫化钼块体材料一边，将其置于胶带带有粘性一面的表面中心处，然后以样品为中心多次对折；
(2)取另一条胶带，将胶带粘性面与步骤(1)多次对折后粘有二硫化钼的胶带面粘贴在一起，然后将其分开，反复进行3-5次以此获得单层及少数层二硫化钼；
(3)将步骤(2)最后一次分开后的胶带水平放置，其中，带有二硫化钼材料的一面向上，之后将切好的硅片衬底光面朝下放在带有二硫化钼材料的胶带上，使硅片与二硫化钼材料充分接触，期间避免有气泡产生，然后将粘有硅片的胶带硅片向下放在加热台上加热，加热后将胶带与硅片衬底分离开，获得载有单层二硫化钼的硅片衬底。
3.根据权利要求2所述双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法，其特征在于：所述的步骤(2)还包括将两个胶带端部对齐，使其粘性面接触后，去除两胶带中间的气泡，之后再分开两胶带。
4.根据权利要求2或3所述双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法，其特征在于：还包括重复多次分开两胶带，以获得二硫化钼。
5.根据权利要求2所述双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法，其特征在于：步骤(3)中硅片与二硫化钼材料充分接触后的加热温度为90℃，加热时间3min。
6.根据权利要求1所述双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法，其特征在于，所述银纳米线的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、分别称取AgNO3、PVP、NaCl和乙二醇，备用；
步骤二、将PVP溶于乙二醇中搅拌，待乙二醇完全溶解后避光加入AgNO3，当AgNO3完全溶解后加入NaCl，搅拌后倒入反应釜中，之后放入加热箱中加热；
步骤三、加热停止后，将装有反应液的反应釜置于常温下使温度降到室温，然后打开反应釜将上部分液体倒入离心管中作为废液处理掉，然后对反应釜中剩余絮状物用无水乙醇冲洗，冲洗出来的纳米线置于离心管中保存，冲洗直到无絮状物为止，取最后一次稀释液1mm用无水乙醇稀释10倍，用酒精丙酮交替洗涤多次，获得所述的银纳米线。
7.根据权利要求6所述双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法，其特征在于：步骤一中每10ml乙二醇对应AgNO3 1000mg、PVP 700mg、NaCl 5mg。
8.根据权利要求6所述双根纳米天线间隙腔定向增强MoS2的荧光发射方法，其特征在于：步骤二中加热箱的加热温度为160℃，加热时间90min。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述方法制备的半导体材料，其特征在于：包括载有单层二硫化钼的硅片衬底和布设在单层二硫化钼上的银纳米线，其中银纳米线的直径为50nm-500nm，长度为1um-30um。
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