CN116125573A - 一种利用电子束实现二维材料能谷发射方向分离的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电子束实现二维材料能谷发射方向分离的方法，利用聚焦电子束控制纳米金属结构等离激元共振模式与二维材料内部谷激子之间的耦合，实现对不同谷激子发出的具有不同自旋的光子的选择性引导，使与不同能谷自由度关联的光信号沿着不同的方向传播。本发明构建起连接远场光学信号与材料内部能谷信息的桥梁，具有实现简单、设计灵活、高精细度、高密度集成的特点，可以用于二维材料与光自旋轨道耦合的前沿研究和能谷光电器件、纳米光电芯片、量子通信器件等新型信息技术工程，具有广阔的发展前景。

Description

一种利用电子束实现二维材料能谷发射方向分离的方法

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种利用聚焦电子束对二维材料的能谷自由度进行操纵并实现远场分离的方法，具体为基于电子束对表面等离激元共振模式的选择性激发特性，实现对二维材料能谷激子与纳米金属结构的共振模式之间耦合的操纵，进而利用不同辐射模式之间的远场干涉，完成对不同能谷激子辐射出的具有不同自旋角动量的光子的发射方向的引导和分离，构建起连接远场光学信号与材料内部能谷信息的桥梁。

背景技术

能谷是诸如硅、金刚石、二氧化硅等常见凝聚态材料的电子能带结构所具有的一种性质，存在于导带的最低点与价带的最高点。电子的能谷特性类似于自旋是一种内禀自由度，因此也被称为赝自旋，在超越基于电荷操纵的传统电子学器件应用方向上具有很大的潜力。但是，由于缺乏与能谷自由度直接相关的物理量，导致能谷自由度的表征操纵具有很大的挑战性，使得基于能谷自由度的谷电子学器件发展受到极大的限制。

近年来，二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)的出现为解决这长期存在的问题给出了具有可行性的方案，并引起了科研工作者和工业界对谷电子学的极大关注。相比传统的凝聚态材料，TMDCs具有空间反演对称性破缺而时间反演对称性保留的特点，再加上由金属原子d轨道和价带带边的载流子之间产生的自旋-轨道耦合效应，使得价带发生劈裂和自旋的退简并，最终导致不同价带上被激发的跃迁电子的自旋也是与能谷锁定的，这也就是俗称的自旋-谷锁定效应(Spin-valley-locking effect)。通过自旋-谷锁定效应，我们可以利用圆偏振光或是外加的电场和磁场对能谷进行控制，使得不同能谷处的布居数发生差异，进而产生能谷极化和其他能谷依赖的二元物理现象，比如谷极化发射、能谷依赖的强耦合、谷霍尔效应、拓扑谷电子学等。能谷相关的定向传播，作为一种极有可能实现的谷电子学和光子学接口，对未来的谷相关信息网络和光电芯片具有重要意义。但由于衍射极限的限制，传统光学手段很难在满足芯片高密度集成要求的情况下对不同能谷发射的方向进行控制以实现能谷信息的处理和传递，因此发展一种在亚波长尺度内对能谷发射方向进行控制和分离的技术手段对于纳米光电芯片的制备具有十分重要的意义。

随着纳米光子学的发展，纳米金属结构成为了一种在亚波长尺度下设计构建功能性器件的重要单元。金属内部自由电子可以在外加激励下产生一种元激发，即表面等离激元，从而能够将光学模式体积压缩到纳米尺度，并极大地增强光和物质的相互作用。通过改变结构的几何形貌，能够有效地控制结构附近地电磁场性质，实现对材料发光强度和辐射方向的调制。同时，通过控制不同表面等离激元模式之间的耦合干涉，还可以实现类似的自旋轨道耦合，实现光子自旋角动量与传播方向之间的锁定，具体表现为带有具有不同自旋的光子在远场的分离。

近年来有大量的研究表明，空间分辨率在纳米尺度的聚焦电子束能够有效地激发表面等离激元。自由电子作为激发源，能够覆盖极宽的从x射线到近红外的波段，实现多种光学模式的同时激发。并且，仔细控制电子束的激发位置，能够实现极好的局域激发从而选择性地激发纳米金属结构的特定等离激元共振模式，进行对金属结构发光的波段、手性、方向的调控。另一方面，电子束也被广泛用于研究和调控半导体和杂化钙钛矿等材料的光学性质。得益于电子束远超传统光学激发手段的空间分辨率和其独特的选择性激发特性，利用电子束来控制纳米金属结构与二维材料的复合系统的发光特性是一种十分重要的手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在纳米尺度内将能谷信息从近场传递到远场的方法，利用聚焦电子束控制纳米金属结构与二维材料内部谷激子之间的耦合，实现对不同谷激子发出的具有不同自旋的光子的选择性引导，使与不同能谷自由度关联的光信号沿着不同的方向传播。

本发明的技术方案如下：

一种利用电子束实现二维材料能谷发射方向分离的方法，首先制备纳米金属结构位于二维材料之上的复合异质结构器件，所述纳米金属结构存在两种能量接近二维材料谷激子发光波长但对称性不同的局域表面等离激元共振模式；通过聚焦电子束在所述纳米金属结构的特定位置进行局域激发，激发位于纳米金属结构下方的二维材料发光，使二维材料内部两个不同能谷(K谷和K’谷)的谷激子分别与纳米金属结构的两种共振模式发生耦合，辐射方向被分别引导，在自旋轨道耦合的约束下，携带能谷信息具有不同自旋的光子朝着不同的方向传播。

上述方法中，所述二维材料可以是石墨烯、黑磷、单层二维过渡金属硫族化合物，优选为单层二维过渡金属硫族化合物，例如单层的二硫化钨、二硫化钼、二硒化钨、二硒化钼、二碲化钼、二碲化钨等。

为了减轻电子束对二维材料的破坏，可以将所述二维材料封装在两片六方氮化硼薄片之间，所述纳米金属结构位于上层六方氮化硼薄片上。优选的，位于底层的六方氮化硼薄片厚度为100～200纳米，位于上层的六方氮化硼薄片厚度为10～30纳米。

所述纳米金属结构的材料例如金、铝、银、铜等，可以根据所要调控的二维材料发光的波段来选择材料制备合适的纳米金属结构。

所述纳米金属结构的两种局域表面等离激元共振模式的本真频率与二维材料谷激子发光中心频率接近，可以实现有效耦合。而纳米金属结构的等离激元共振频率可以通过改变其形状及大小的方式调节到所需频率附近。在进行纳米金属结构的几何形貌及具体参数的设计中，可以通过数值模拟结合扫描参数的方法，不断调整纳米金属结构的形貌特征，使它存在两种能量接近二维材料谷激子发光波长但对称性不同的局域表面等离激元共振模式。同时，只有当局域激发处于一些特定位置时，这两种共振模式在被局域激发后相位同相并且幅度相差不大，才能达到远场分离的效果。

在本发明的一些实施例中，所述二维材料为单层二硫化钨，所述纳米金属结构为一根短金棒和一根长金棒组成的“二”字形结构，该结构中存在偶极模式和四极模式两种对称性不同的局域表面等离激元共振模式。在设计的几何参数下(例如，长金棒的长宽高分别为200～220纳米、65～75纳米、35～45纳米，短金棒的长宽高分别为60～70纳米、20～30纳米、35～45纳米)，这个两种共振模式的本征频率都与二硫化钨谷激子发光中心频率接近，可以实现和单层二硫化钨的有效耦合。当局域激发处于一些特定位置时，比如短棒中心，两种共振模式在被局域激发后相位同相并且幅度相差不大，从而达到远场分离的效果。

在本发明的另一些实施例中，所述二维材料为单层二硫化钨，所述纳米金属结构为直径450～550纳米、厚度35～45纳米的金圆盘，该结构中存在六极模式和八极模式两种对称性不同的局域表面等离激元共振模式。当聚焦电子束激发位置为圆盘边缘时，单层二硫化钨的K谷和K’谷激子发光方向被分别引导，产生的具有不同自旋的光子朝不同的方向传播，达到远场分离的效果。

本发明利用电子束实现二维材料能谷信息近场到远场传递的方法(见图1)，具体表现为分离二维材料内部不同能谷的激子发光的远场辐射。该方法包括纳米金属结构与二维材料的复合异质结构器件的制备、复合异质结构器件中的二维材料发光、二维材料谷激子发光方向的二元分离三个部分。

在本发明的一些实施例中，纳米金属结构与二维材料的复合异质结构器件的制备分为以下三步：1.六方氮化硼和单层二硫化钨样品的制备。利用胶带将六方氮化硼薄片和单层二硫化钨从块体材料上剥离。选择一片剥下的六方氮化硼放置在洁净的二氧化硅/硅衬底上，随后将单层二硫化钨放置在六方氮化硼之上，并利用光学显微镜和原子力显微镜对样品进行表征，确定六方氮化硼和二硫化钨样品的相对位置和具体厚度。2.选择厚度较薄的六方氮化硼薄片放置到另一块洁净的二氧化硅/硅衬底上，随后在该衬底上旋涂上一层电子束光刻胶，并利用电子束曝光的方法在六方氮化硼上转移设计好的图案。随后利用电子束蒸发镀膜的方法在硅片上蒸镀的金膜与作为黏附层的Ti膜，并利用丙酮溶解残留的电子束光刻胶，最终得到位于六方氮化硼之上的特定纳米金属结构。3.将已经加工完成的六方氮化硼/金属样品转移到另一硅片的六方氮化硼/二硫化钨样品之上作为顶层。最终得到了由六方氮化硼封装的二硫化钨与特定纳米金属结构的复合系统。之所以要求用六方氮化硼封装二硫化钨，一是为了减轻电子束对单层二硫化钨样品的破坏，延长样品寿命；二是六方氮化硼可以向单层二硫化钨提供更多的空穴，进而增强电子空穴对复合概率，增强谷激子发光的强度，使谷激子发光方向分离的现象更为明显。

复合异质结构器件中的二维材料发光通过聚焦电子束激发位于纳米金属结构下方的二维材料产生。电子束所携带的局域电磁场通过近场相互作用将能量从自由电子传递到二维材料的价带电子，将其激发到导带，并在价带上留下一个空穴。由于二维材料价带劈裂的特性，在K谷处，只有自旋向上的电子被激发，而在K’谷处，只有自旋向下的电子被激发，这两种不同自旋的电子和空穴对在库伦相互作用下形成一个束缚态，也就是谷激子。随后不同的谷激子，在光学跃迁选择定则的约束下，发生辐射衰变，分别产生带有不同自旋角动量的光子。由于电子束激发的对称性，K谷和K’谷处谷激子的数量并没有差别。因此最终该复合异质结构器件发出的光中，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的强度没有明显差别。

通过控制电子束的局域激发位置，可以有效改变所激发的能谷激子的空间位置。进而调控能谷激子与纳米金属结构的特定表面等离激元共振模式之间的耦合。由于谷子的辐射跃迁偶极为圆偏振偶极，K谷和K’谷的谷激子圆偏振跃迁偶极的符号相反。因此，当与能量接近的表面等离激元共振模式发生耦合时，圆偏振偶极符号的不同会导致多个辐射模式的远场干涉产生不同的结果，能谷激子的辐射方向将会受到不同的调制。通过精心设计纳米金属结构的几何形貌，调整结构所具有的多种能量相近的等离激元共振模式的振幅和相位进而调控远场干涉的结果，就可以通过自旋轨道耦合来实现对不同谷激子发光方向的控制。同时还可以通过调节电子束的激发位点来控制这种谷激子发光方向分离的开关，即当电子束激发某些特定位点时可以产生分离，而当电子束位置被略微移动之后，分离就消失了。这也证明了该方法的灵活性。

本发明所提出的利用电子束实现二维材料能谷发射进行控制和分离的方法，是首个能够在亚波长尺度内利用电子束激发和纳米金属结构对二维材料不同能谷的谷激子发光方向进行分别控制和分离的手段，能够实现材料内部的能谷信息到远场的光学信息的传递。通过制备二维材料与特定纳米金属结构的复合异质结构器件，在室温和无外加的电场磁场的情况下，仅仅依靠具有超高空间分辨率的聚焦电子束激发在某些特定点位的激发，即可使二维材料内部两个不同能谷(K和K’)的谷激子的辐射方向被分别引导，在自旋轨道耦合的约束下，携带能谷信息具有不同自旋的光子将朝着不同的方向传播，实现能谷-光子自旋-传播方向的锁定。由此，通过纳米尺度内的调控，单层二维材料中谷激子所携带的信息最终被转化为在远场向不同方向传输的带有不同自旋的光子信息。

本发明着眼于纳米光子学新一代信息载体的研究，对谷自由度的操控从远场光激发和外加电场磁场等传统方法转变为利用电子束控制谷激子与纳米金属结构等离激元共振模式之间的耦合，突破光学衍射极限，通过引导不同能谷激子辐射方向的方法达到将能谷信息从材料内部和近场空间传递到远场的目的。该发明具有实现简单、设计灵活、高精细度、高密度集成的特点，可以用于二维材料与光自旋轨道耦合的前沿研究和能谷光电器件、纳米光电芯片、量子通信器件等新型信息技术工程，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1显示了本发明具体实施方式的样品结构与现象示意图(左图)，以及样品的电镜照片(右图)。

图2显示了本发明具体实施方法的研究光路示意图。

图3显示了本发明具体实施方式中所述“二”字形纳米金属结构的共振模式分布图。

图4显示了本发明具体实施方式中所述“二”字形纳米金属结构各个共振模式的强度和相对相位。

图5显示了单层二硫化钨和“二”字形金纳米结构的电子束激发光谱。

图6显示了本发明实施例1中电子束聚焦在二硫化钨与纳米金属结构的复合异质结构器件特定位置时能够产生的使两种谷激子发光方向分离的效果。

图7显示了本发明实施例1中电子束聚焦在二硫化钨与纳米金属结构的复合异质结构器件特定位置时能够产生的使两种谷激子发光方向分离的数值模拟图。

图8显示了本发明实施例2中采用的圆形纳米金属结构的两种共振模式分布图。

图9显示了本发明实施例2中电子束聚焦在二硫化钨与纳米金属结构的复合异质结构器件特定位置能够产生的使两种谷激子发光方向分离的效果。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步详细描述，以使本领域技术人员能够更加清楚地理解本发明。

参见图1，本发明的二维材料与纳米金属结构的复合异质结构器件是采用干法转移和电子束刻蚀加工的方式，在由六方氮化硼封装的单层二硫化钨表面加工设计好的纳米金属结构，自下而上依次是：底层六方氮化硼、单层二硫化钨、上层六方氮化硼、纳米金属结构阵列，阵列中纳米金属结构之间的间距大于1微米。整个复合异质结构器件放置在洁净的硅片上。本实例中所设计的纳米金属结构可以是由长宽高分别为210纳米、70纳米、40纳米的长金棒和长宽高分别为65纳米、25纳米、40纳米的短金棒所组成的“二”字形结构；也可以是直径为250nm的圆盘结构，或者是其他能够满足要求的纳米金属结构形貌。下面给出用于电子束实现二维材料能谷发射方向分离的实验样品的制备方法，包括以下步骤：

1.使用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)对两片Si基底沉积SiO₂间隔层，得到两片SiO₂/Si基底；

2.对两片SiO₂/Si基底使用有机溶剂进行超声清洗，按照丙酮(清洗时间10-15min)→乙醇(清洗时间10-20min)→去离子水(清洗时间20-30min)的顺序进行超声清洗，最后用氮气枪吹干残留在基底上的去离子水，得到洁净的SiO₂/Si基底；

3.利用PDMS(聚甲基丙烯酸甲酯)胶带分别从块状的六方氮化硼样品和二硫化钨样品上撕取多片六方氮化硼薄片和单层二硫化钨，均放置于同一片结净的SiO₂/Si基底上；

4.利用光学显微镜和原子力显微镜进行表征，选择厚度在100纳米附近的六方氮化硼薄片作为底层，将单层二硫化钨转移到合适的六方氮化硼薄片上；

5.将厚度较薄的六方氮化硼薄片转移到另一片洁净的SiO₂/Si基底上；

6.利用光学显微镜确定步骤5转移的六方氮化硼薄片在第二片SiO₂/Si基底上的相对位置，在其上旋涂一层约100纳米厚的电子束光刻胶(MicroChem PMMA A2)，匀胶转速为3000转/秒，匀胶后在180℃的条件下烘烤5分钟；

7.用电子束曝光(EBL)系统将设计好的金属纳米结构形状刻蚀出来，刻蚀区域位于步骤6所述的六方氮化硼薄片之上，并放入显影液(MIBK)中显影(约50秒)，显影后立即放入异丙醇溶液中定影(约5分钟)，随后取出样品用氮气枪将残留的异丙醇溶液吹干；

8.在步骤7处理的样品上利用电子束蒸发镀膜先后蒸镀上厚度为2nm的钛以及厚度为40nm的金，其中钛主要起粘合作用，保障金结构牢固地固定在六方氮化硼表面；将整个样品放入丙酮溶液中约5小时，通过丙酮溶液冲洗的方法，最终剥离得到位于六方氮化硼薄片之上的纳米金属结构；

9.将步骤8获得的六方氮化硼+纳米金属结构同时转移到第一片SiO₂/Si基底上的六方氮化硼+单层二硫化钨之上，完成封装，得到的最终样品形貌参见图1。

另外，进行剥离和转移的具体方法根据实际情况可能会有不同，此处根据实例的情况描述具体步骤：

1.室温条件下，利用USI胶粘塑料薄膜P/N:1005R粘在二硫化钨和氮化硼块材上，然后将该胶带薄膜撕下来贴在PDMS上，用棉签轻轻按压胶带薄膜，然后将胶带薄膜撕下，在光学显微镜下根据薄片的颜色寻找到PDMS上的单层二硫化钨和六方氮化硼薄片。一般来说单层二硒化钨的剥离需要多次重复才能实现。

2.在光学显微镜下，将PDMS上的单层二硫化钨或六方氮化硼薄片对准需要转移的结构位置，调整PDMS位置，使得PDMS处在与基底相接触的临界条件，加热到45℃，利用PDMS的受热膨胀与基底相贴合，而后将PDMS调离基底。

本发明利用聚焦电子束来激发二维材料和纳米金属结构的复合异质结构器件以实现对不同能谷激子辐射发光方向的分离。要实现发光方向的分离需要对纳米金属结构的几何形貌及具体参数进行精心的设计。通过数值模拟结合扫描参数的方法，不断调整纳米金属结构的形貌特征，使它存在两种能量接近二维材料谷激子发光波长但对称性不同的局域表面等离激元共振模式，最简单的一种组合就是图3所示的偶极模式和四极模式。偶极模式的电荷分布相对结构的对称轴具有反对称的特性，而四极模式的电荷分布相对结构的对称轴具有对称的特性。并且在设计的几何参数下，这两种模式的本征频率都与二硫化钨谷激子发光中心频率接近，可以实现和单层二硫化钨的有效耦合。为了达到远场分离的效果，还要求两种共振模式在被局域激发后相位同相并且幅度相差不大。值得注意的是，由于局域激发的效果具有明显的位置依赖性。因此，只有当局域激发处于一些特定位置时，比如短棒中心，才能满足相位同相且幅度相差不大的要求。如图4所示，只有当局域激发位于短棒中心位置时，x方向的偶极模式(Px)与四极模式(Qxx)在600-650nm波段内强度接近，且相位差接近0，表明相位同相，可以满足要求。而当局域激发位置位于长棒的端点时，x方向的偶极模式(Px)与四极模式(Qxx)在600-650nm波段内强度相差很大，无法满足要求。在满足要求的情况下，才可能使这两种模式与不同谷激子的圆偏振偶极同时相互作用时，由于模式之间的干涉，发生自旋轨道耦合，导致对不同谷激子发光方向的分别引导，最终导致不同自旋的光子沿着不同的方向传播，也即能谷-光子自旋-传播方向的一一对应。在通过细致的数值模拟确定能够满足要求的纳米金属结构形貌之后，才可以制备出可能产生预期效果的样品，也才能够确定如何通过控制电子束的位置来控制分离效果的开关。

基于上述原理和设计，样品制备完成之后，需要利用角分辨荧光探测系统对样品的发光质量和发光角度进行表征。下面给出用电子束在室温下对该复合异质结构器件的辐射特性进行测量的流程，光路示意图可以参见图2：本发明对辐射特性的表征在基于扫描电子显微镜的阴极荧光显微成像系统中进行，电子束穿过样品上方抛物面镜的小孔后激发样品，辐射出的阴极荧光由上方的抛物面镜收集并转换为平行光，通过光路被收集并分析。收集和分析光路可以在两种模式之间切换：模式1是偏振角度分辨光路，收集到的阴极荧光通过偏振测定组件之后被CMOS相机收集成像，得到特定波长下的左旋光或右旋光二维强度分布图，再通过分析强度图中每一个像素点与样品发光方向立体角度的对应关系，就可以得到样品辐射出的自旋为+1或是-1的光子传输角度分布图，即发光强度作为立体角θ和φ的函数；模式2是光谱测定光路，收集的阴极荧光经过分光仪之后，被光电倍增管收集，得到不同波长下的发光强度信息。在光电倍增管和分光仪中间，还可以加入由四分之一波片和线偏振片构成的偏振分析组件，以得到某种偏振分量的光谱信息。

实施例1

按照上述步骤加工制备的一个单层二硫化钨与纳米金属结构的复合异质结构器件形貌如图1所示，纳米金属结构是由长宽高分别为210纳米、70纳米、40纳米的长金棒和长宽高分别为65纳米、25纳米、40纳米的短金棒所组成的“二”字形结构。为了保证相邻的样品之间不发生近场相互作用，纳米金属结构阵列的周期为1微米，远大于近场相互作用的空间尺度。复合异质结构器件样品的辐射特性表征在基于扫描电子显微镜(ThermoFisherQuattro C)的阴极荧光探测成像系统中(Delmic SPARC)进行。样品送入真空腔后，在室温下用加速电压为5千伏，束流为2.0纳安，束斑尺寸直径3纳米的聚焦电子束，在选定位置对样品进行局域激发。利用模式1测量样品在电子束激发下发射左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的角度和强度信息。当电子束激发位置为“二”字形结构的短棒中心时，K谷和K’谷激子发光方向被分别引导，产生的具有不同自旋的光子朝相反的方向传播。而当电子束激发位置为“二”字形结构的长棒端点时，K谷和K’谷激子发光方向基本相同，产生的具有不同自旋的光子传播方向没有明显差异。

为了清晰显示两种自旋的光子的传播方向，我们根据实验测量结果绘制了作为发光立体角度的函数的右旋圆偏振光与左旋圆偏振光强度之差，如图6所示。电子束的激发位置由白点表示，当白点位于短棒中心时，右旋圆偏振光主要位于左半球，左旋圆偏振光位于右半球，即实现了发射方向分离的“开”状态。当白点位于长棒端点时，右旋与左旋圆偏振光在整个球面范围内均匀分布，没有明显的方向性，即实现了发射方向分离的“关”状态。此外，数值模拟的结果(图7)与实验结果的对比吻合得很好。上面的结果可以证明，利用电子束在纳米尺度内的移动，实现了对二维材料谷激子发射方向的分离和主动控制。

实施例2

按照上述步骤加工制备的一个单层二硫化钨与纳米金属结构的复合异质结构器件，形貌如图1所示，纳米金属结构是半径为250纳米、高度40纳米的金圆盘。金圆盘能量接近二硫化钨发光波长的两种具有不同对称性的模式分布图如图8所示。为了保证相邻样品之间不发生相互作用，纳米金属结构之间的最小距离大于一微米，远大于近场相互作用的尺度。金圆盘结构的局域表面等离激元共振模式为六极模式和八极模式。复合异质结构器件样品的辐射特性表征在基于扫描电子显微镜(ThermoFisher Quattro C)的阴极荧光探测成像系统中(Delmic SPARC)进行。样品送入真空腔后，在室温下用加速电压为5千伏，束流为2.0纳安，束斑尺寸直径3纳米的聚焦电子束，在选定位置对样品进行局域激发。利用模式1测量样品在电子束激发下发射左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的角度和强度信息，并绘制了作为发光立体角度的函数的右旋圆偏振光与左旋圆偏振光强度之差，如图9所示。图9中，电镜图片中的白点代表电子束激发位置。当电子束激发位置为圆盘下边缘位置时，K谷和K’谷激子发光方向被分别引导，产生的具有不同自旋的光子朝不同的方向传播：图中的虚线左侧主要是左旋圆偏振光，虚线右侧是右旋圆偏振光，实现了发射方向分离的“开”状态。而当电子束激发位置为金圆盘的圆心时，K谷和K’谷激子发光方向基本相同，两种圆偏振光的发射角度没有明显差异，即实现了发射方向分离的“关”状态。另外，由于金圆盘结构的旋转对称性，当电子束位置位于下边缘偏左或偏右的位置时，可以看到依然出现了发射方向分离的的“开”状态，并且分离的对称轴(如图中虚线)所示，也发生了对应的偏转。以上的结果可以证明，利用电子束在纳米尺度内的移动，实现了对二维材料谷激子发射方向的分离和主动控制。

需要注意的是，两个实例中制作纳米金属结构的材料都是金，这是因为单层二硫化钨能谷激子的辐射中心波长约为610nm。金制备的金属纳米结构的等离激元共振频率很容易通过改变形状大小的方式调节到这个频率附近。但在具体实施中，也可以根据所想要调控的二维材料发光的波段不同，选择其他的金属，比如铝、银、铜等，来制备合适的纳米金属结构，以使得他们的局域表面等离激元共振模式能量与所选取二维材料的发光频率匹配。

本发明利用电子束激发和纳米金属结构首次在纳米尺度内实现了对二维材料谷激子发光方向的分离，完成了材料内部谷信息到远场光信息的传递，并能主动控制这种传递的进行与中断，解决了谷信息难以直接利用的问题，降低了对单层二维材料中电子的谷信息的利用要求，同时还极大地压缩了器件的几何尺寸，提高了集成度。此外，产生的但有不同自旋角动量的光子还有可能被进一步用于基于光子自旋编码的量子通信网络。本发明在纳米尺度内构建起了连接远场光学信号与材料内部能谷信息的桥梁，实现了超小尺寸的谷-光接口，能够被用于能谷光电器件、纳米光电芯片、量子通信网络等平台。由于金属纳米结构设计的灵活性，该方法可被拓展到对更广泛的荧光材料的多种辐射辐射性质的调控中，对未来纳米光子学的研究具有极高的引导意义和参考意义。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，本领域的技术人员应当理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种利用电子束实现二维材料能谷发射方向分离的方法，首先制备纳米金属结构位于二维材料之上的复合异质结构器件，所述纳米金属结构存在两种能量接近二维材料谷激子发光波长但对称性不同的局域表面等离激元共振模式；通过聚焦电子束在所述纳米金属结构的特定位置进行局域激发，使位于纳米金属结构下方的二维材料内部两个不同能谷K谷和K’谷的谷激子分别与纳米金属结构的两种共振模式发生耦合，辐射方向被分别引导，在自旋轨道耦合的约束下，携带能谷信息具有不同自旋的光子朝着不同的方向传播。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维材料为单层二维过渡金属硫族化合物。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述二维过渡金属硫族化合物选自二硫化钨、二硫化钼、二硒化钨、二硒化钼、二碲化钼、二碲化钨中的一种。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维材料封装在两片六方氮化硼薄片之间，所述纳米金属结构位于上层六方氮化硼薄片上。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，底层六方氮化硼薄片厚度为100～200纳米，上层六方氮化硼薄片厚度为10～30纳米。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米金属结构的材料选自金、铝、银、铜中的一种或多种。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过数值模拟结合扫描参数的方法不断调整纳米金属结构的形貌特征，使其存在两种能量接近二维材料谷激子发光波长但对称性不同的局域表面等离激元共振模式。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维材料为单层二硫化钨，所述纳米金属结构为一根短金棒和一根长金棒组成的“二”字形结构，聚焦电子束在短金棒的中心进行局域激发。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维材料为单层二硫化钨，所述纳米金属结构为为直径450～550纳米、厚度35～45纳米的金圆盘，聚焦电子束在圆盘边缘进行局域激发。

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