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Exciton Emission Enhancement in Two-Dimensional Monolayer Tungsten Disulfide on a Silicon Substrate via a Fabry–Pérot Microcavity

单层 二硫化钨 法布里-珀罗干涉仪 基质(水族馆) 材料科学 激子 光电子学 纳米技术 凝聚态物理 物理 波长 海洋学 地质学 冶金
作者
Xiaotian Bao,Jianwei Shi,Xu Han,Keming Wu,Xin Zeng,Yuexing Xia,Jinghan Zhao,Zhiyong Zhang,Wenna Du,Shuai Yue,Xianxin Wu,Bo Wu,Yuan Huang,Wenkai Zhang,Xinfeng Liu
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.4c05219
摘要

Exciton emitters in two-dimensional monolayer transition-metal dichalcogenides (TMDs) provide a boulevard for the emerging optoelectronic field, ranging from miniaturized light-emitting diodes to quantum emitters and optical communications. However, the low quantum efficiency from limited light-matter interactions and harmful substrate effects seriously hinders their applications. In this work, we achieve a ∼438-fold exciton photoluminescence enhancement by constructing a Fabry-Pérot cavity consisting of monolayer WS2 and a micron-scale hole on the SiO2/Si substrate. The overall enhancement results from the increased exciton-photon interaction due to the effective exciton-cavity mode coupling and decreased trion formation from the weakened substrate effect confirmed by transient spectroscopy. Moreover, the effective coupling improves the directivity of excitons' spontaneous radiation (fwhm ∼ 5°). This research reveals a practical platform for simultaneously enhancing exciton emission and attenuating the substrate effect, and it provides a blueprint for the development of two-dimensional monolayer TMDs-based emitters in integrated optoelectronic devices.
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