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厚度仅为一个到数个原子尺寸的二维原子晶体材料有着和体材料迥异的物理特性，其在电子学、光学、磁学、催化、储能和传感器等领域有着巨大的应用前景。自从2004年单原子层石墨烯被成功剥离制备以来，针对二维原子晶体材料的研究如雨后春笋般涌现，人们对这一材料体系的理解和认识在近二十年来获得了飞速的发展。目前科学家们已经发现了种类繁多的能够在室温下稳定存在的二维原子晶体材料，这些材料涵盖导体、半导体和绝缘体。其中二维过渡金属硫族化合物（transition metal dichalcogenides, TMDs）作为一种性质优异的半导体，其带隙能量与可见光光子能量相当，作为直接带隙半导体的单层的TMD材料更是具有很高的电子跃迁发光量子产率。因此，二维TMDs正逐渐成为重要的光电材料。除此之外，二维TMDs还具有如下两个重要的性质。首先，这类材料具有丰富的激子类型。除了研究得较多的由一个导带底电子和一个价带顶空穴形成的本征激子（也称为A激子），带电激子、暗激子、局域激子和双激子也可以在二维TMD材料中稳定存在。这些丰富的激子类型不仅有利于光电器件工作波段的拓展，还为研究相干量子多体系统提供了合适的材料体系。其次，由于单层二维TMD材料晶格结构的空间反演对称性被打破，再加上过渡金属原子d轨道电子的强自旋轨道耦合，二维TMD材料具有独特的电子能带结构。这一独特的能带结构主要表现在二维TMD材料价带顶电子具有较大的能量劈裂，以及自旋能谷锁定。因此，二维TMD材料能谷成为独立于电荷和自旋的一个新的自由度，对于构建高性能的谷电子学纳米光电子器件具有重要意义。针对二维TMD材料激子发光物理过程的探索是研究上述两种性质的关键，也是一个重要和前沿的研究方向。
我们的研究集中在二维TMD材料一种重要的新型激子——应力局域激子上。这类激子的产生与二维TMD材料独特的力学性质和电子能带结构有关。由于具有优异的机械力学特性和良好的可拉伸性质，二维原子晶体材料在超过1%的应变下也不会发生断裂破损。同时，应变可以有效改变TMD材料的能带结构，使其带隙能量减小。因此，利用大的局域应力梯度可以在空间上形成一个束缚激子的势阱。这个势阱如同漏斗一样可以把其他位置的激子汇聚到应力最强的位置，形成高亮度和窄线宽的发光，在构建高性能的单光子源、量子比特等方面有潜在的应用价值。然而，目前对这种应力局域激子的研究和测量大部分情况必须在极低温度（<10 K）的条件下进行，这是因为应力局域激子发射面积小、量子产率低，同时热扰动会破坏激子的局域特性。在室温下实现对应力局域激子的观测仍是研究中的一个难点。
近年来有少数的研究工作利用表面等离激元来增强应力局域激子的荧光信号。表面等离激元一般是由金属纳米结构中导带电子的集体共谐振荡产生。这种集体激发可以将光场的能量局域于金属纳米结构附近远小于一个波长范围的区域，并产生强的电磁场增强。表面等离激元结构已被证实可以显著调节发光材料的激发和自发辐射过程，有利于实现对应力局域激子的探测，但相关的实验通常仍然需要在低温下进行。此前仅有基于等离激元的针尖增强光谱技术（tip-enhanced nanospectroscopy）可以在室温下获得可分辨的应力局域激子信号。然而，基于针尖增强的技术在光电器件集成方面天然受限。这样一来，设计可以媲美针尖增强体系、加工工艺不至太过复杂的二维TMD-金属等离激元纳米结构复合材料，可以同时产生较大的局域应力和强的表面等离激元局域光场，从而实现对应力局域激子信号的室温测量就成为进一步发展基于TMD材料应力局域激子集成光电器件的关键。我们提出的方案是将单层TMD材料按压贴合在金纳米晶颗粒表面，利用金纳米晶颗粒带来的表面起伏引入强的局域应力，同时金纳米晶颗粒的表面等离激元特性有利于实现强的近场增强效果。这种方案可以很好地实现局域应力与局域电磁场增强在实空间的“强强联合”，通过选择合适的纳米结构更可以使应力局域激子和表面等离激元的响应波段匹配。我们因此在室温下测量到了与本征激子发光强度相当的应力局域激子发光信号，应力局域激子的发光波长也可以在比较大的范围内调节。在进一步的研究中，我们利用具有各向异性等离激元性质的纳米晶颗粒，例如金纳米棒，实现了对应力局域激子发光的偏振调控。这项工作提供了一个对应力局域激子室温探测的“等离激元”解决方案，样品制备方法简单可靠，并且可以很好地实现等离激元纳米结构对应力局域激子能量、发光强度以及偏振态的高效调控，在制作集成纳米光源和传感器方面具有良好的应用前景。
Ref:
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c02300