二維半導(dǎo)體因其原子級(jí)厚度和獨(dú)特的光電特性，被視為下一代光電子器件的關(guān)鍵候選材料之一。由于二維半導(dǎo)體通過層間范德華力結(jié)合，單層二維半導(dǎo)體可被輕易剝離并以垂直堆疊方式構(gòu)建成人工異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅能融合各層二維半導(dǎo)體的激子特性，還可以通過改變層間扭轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生具有轉(zhuǎn)角依賴特性的新型激子態(tài)。此外，如何控制發(fā)光方向?qū)Π雽?dǎo)體發(fā)光器件有重要意義。

　　一般而言，實(shí)現(xiàn)定向發(fā)光需要光學(xué)諧振與發(fā)光介質(zhì)在近場(chǎng)相互作用，進(jìn)而將光輻射至遠(yuǎn)場(chǎng)。然而，由于二維半導(dǎo)體自身缺乏光學(xué)諧振，必須依賴外部光學(xué)諧振腔與之集成。因此，目前調(diào)控激子發(fā)射方向的方案多是基于各類人工納米光子結(jié)構(gòu)（如納米天線和光子晶體）與二維半導(dǎo)體集成。盡管這些外部光學(xué)諧振腔可通過腔內(nèi)電場(chǎng)或倏逝場(chǎng)增強(qiáng)光與激子的相互作用，但介質(zhì)材料與二維半導(dǎo)體的接觸界面可能會(huì)引入n型摻雜或?qū)е氯毕葺o助的非輻射復(fù)合，抑制激子發(fā)光。另外，所集成的介質(zhì)材料會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)介電屏蔽效應(yīng)，顯著降低層間激子的結(jié)合能，進(jìn)而嚴(yán)重抑制層間激子的發(fā)光。

　　針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張興旺團(tuán)隊(duì)提出了自耦合光子晶體諧振技術(shù)方案。通過在懸空的雙層WS2/WSe2上直接構(gòu)建光子晶體結(jié)構(gòu)，一方面完全消除了傳統(tǒng)集成中的界面接觸問題，另一方面也將材料的環(huán)境介電常數(shù)降至最低（1.0），有效地減弱了介電屏蔽效應(yīng)，從而提升了激子結(jié)合能。同時(shí)，原子層級(jí)光子晶體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的導(dǎo)模諧振還可以增強(qiáng)激子發(fā)光的Purcell因子和光提取效率。另外，通過調(diào)節(jié)激發(fā)光能量，可選擇性地激發(fā)特定激子。憑借光子晶體固有的角色散特性，光子晶體可根據(jù)激子發(fā)光能量，實(shí)現(xiàn)激子發(fā)光在能量-動(dòng)量空間的分選。該方法有望應(yīng)用于研究二維半導(dǎo)體莫爾超晶格中的激子調(diào)控。

　　相關(guān)研究成果以Directional sorting of exciton emissions from twisted WS2/WSe2 hetero-bilayers using self-coupled photonic crystal resonances為題，發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

懸空的原子層級(jí)WS2/WSe2轉(zhuǎn)角異質(zhì)光子晶體中的激子發(fā)光在能量-動(dòng)量空間的分選