二次谐波（SHG）又称为倍频效应，是一种源于激发场下的电磁场极化高阶项的非线性光学过程，其响应通常很弱，需要严苛的相位匹配以及足够的作用长度来增强非线性效应，这导致非线性器件体积较大，难以集成。单层二维过渡金属硫化物（TMDs）拥有非常高的二阶非线性极化张量，使其成为小型化片上频率转换器件、全光互连和光电集成的理想选择。然而，受限于单层TMDs亚纳米尺寸厚度（~0.8 nm），其二次谐波转换效率仍然很低。因此，使用微纳结构增强单层TMD中光与物质相互作用，提高二次谐波转换效率，对其实际应用尤为重要。二次谐波方向性出射的实现，可以提高远场光束的利用率，使其能更多地应用在硅基超薄倍频器件、集成光子学等领域。

近日，北京理工大学前沿交叉科学研究院黄元教授，与国家纳米科学中心刘新风研究员和北京大学张青研究员在ACS Nano上发表了硅衬底上悬空单层WS₂超强二次谐波定向发射的研究工作。团队使用紫外光刻和反应离子刻蚀技术在SiO₂/Si硅衬底上制备出圆孔阵列，通过机械解理法获得单层WS₂并将其转移到具有孔阵列的硅衬底上，在这种悬空的WS₂中获得了最大三个数量级的二次谐波增强(图1)。

图1. 在带圆孔阵列的硅衬底上，实现了单层WS₂二次谐波的增强

为验证该方法的可靠性，作者通过SHG面扫描，发现在孔洞位置处样品的二次谐波普遍获得增强，如图2所示。角分辨结果表明孔洞样品处出现了明显的色散模式，这表明孔洞与覆盖的单层WS₂形成了Fabry-Pérot微腔结构。进一步通过数值模拟，发现相较于无结构情况，在微腔结构实现了约272倍的电场增强。

图2. FP微腔中电磁场对二次谐波增强的贡献

单层WS₂在微腔位置有如此巨大的二次谐波增强还与激子态密度变化有关。通过拟合单层WS₂在微腔上和不在微腔上的吸收光谱，作者发现激子态密度的增加对SHG增强的贡献约为3.1倍，如图3所示。

图3. 激子态密度对SHG增强的贡献

通过变激发波长，发现增强因子在激发波长为820 nm时，获得了1580倍的最大增强，如图4所示。图4a, 4b波长对应微腔的模式位置。

图4. 单层WS₂在不同波长激发下， SHG增强因子的变化趋势

通过远场成像，作者发现由于与FP微腔的共振耦合，WS₂在微腔上的远场发散角仅为5°，表明微腔结构可实现二次谐波出射方向性的调控，如图5所示。

图5. 二次谐波方向性发射

本工作利用悬空的WS₂单层，证明了SHG发射的巨大增强和低发散,通过角分辨光谱、数值模拟和吸收光谱分析，证实SHG增强的机制源于F-P微腔诱导电场增强和激子更强的振荡强度。此外，获得了二次谐波发射的低发散角（~5°），这归因于 F-P 微腔的共振。本工作的研究结果表明，通过优化二维半导体的制备工艺，可以实现具有定向性二次谐波增强特性，为片上超薄倍频和集成光子学开辟了道路。相关成果以“Giant Enhancement and Directional Second Harmonic Emission from Monolayer WS₂ on Silicon Substrate via Fabry-Pérot Micro-Cavity”为题发表在顶级国际期刊ACS Nano上(doi.org/10.1021/acsnano.2c03033,影响因子:18.027), 黄元教授与国家纳米科学中心刘新风研究员、北京大学张青研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委, 北京市自然科学基金, 国家重点研发计划, 中国科学院战略重点研究计划和重庆市杰出青年基金等项目的资助。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c03033

附作者介绍：

黄元，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师。主要研究领域集中在二维材料的制备、表征、器件加工和物性测量/调控等方向。在Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters、ACS Nano等共计发表SCI论文80余篇，其中第一作者（含共一）及通讯作者文章40余篇，论文总引用4500余次。主持国家重点研发计划（青年项目），主持国家基金委优秀青年基金和面上项目，重庆市杰出青年基金项目。2019年入选中科院青促会会员，2020年获中国科协“中国十大科技新锐人物”荣誉称号，2021年获中国发明协会发明创业奖创新奖二等奖(排名第一)，2022年获中国发明协会创业奖成果奖二等奖（排名第二）。担任Physical Review Letters，Nature Communications，Advanced Functional Materials，ACS Nano, Nano Letters，《物理学报》等国内外知名期刊审稿人；担任《物理》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》期刊青年编委。