单层过渡金属硫化物(TMD)由于具备室温稳定激子，所以在激子发光器件方面有着广泛的应用前景。由于其表面无悬挂键，因此易于与其他材料所构成的纳米光学结构进行无键合的范德华异质集成。另一方面，多层TMD由于层间耦合效应弱，其紧束缚的层内激子使得即便在远大于激子跃迁波长处也具有较高的折射率(n> 4)。这种独特的高折射率特性有利于获得传统介电材料难以实现的纳米尺度光场强束缚。然而与单层TMD不同，多层TMD是间接带隙半导体，其发光较弱，无法应用在发光器件中。
鉴于此，中国科学院苏州纳米所张兴旺团队将多层宽带隙TMD(WS2)超表面与单层窄带隙TMD(MoSe2)集成，构建了全范德华异质结构超表面手性依赖激子光源(图1)。在该器件中，单层MoSe2用作激子发光介质，而多层WS2超表面负责提供手性光学谐振以操控单层MoSe2的激子发射。由于单层MoSe2的激子发光波长处于多层WS2的透明光谱范围，所以该器件实现了无光学损耗的激子发光调控。另一方面，为实现手性依赖激子发光的方向性出射，该团队通过降低WS2超表面的结构对称性，在动量空间中构建了手性依赖的拓扑偏振奇异点(图2)。并且通过进一步地调控WS2超表面的结构对称性，可以将手性依赖的拓扑偏振奇异点在动量空间中进行大范围的调谐(图2)。研究发现，手性依赖的拓扑偏振奇异点能够阻止特定圆偏振光的远场耦合，而同时共振增强另一正交偏振光的远场耦合效率。因此，该全范德华异质结构超表面手性依赖激子光源能够实现手性依赖激子的定向发射。这种全范德华异质结构超表面光源将单层 TMD的强激子发射效应和多层 TMD 纳米光学结构的强光场调控能力集成在一起，实现了完全基于二维材料的强激子发射和调控功能。
图1. 全范德华异质结构超表面手性依赖激子光源
图2. 低对称WS2超表面中的手性依赖拓扑偏振奇异点在动量空间中的调谐
该研究成果以 Directional chiral exciton emission via topological polarization singularities in all van der Waals metasurfaces为题发表在Advanced Materials上。中国科学院苏州纳米所博士生王栎沣为第一作者，张兴旺研究员为论文通讯作者。研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、苏州市科学技术局等项目的支持，同时也得到了中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）、纳米加工平台的支持。
文章来源：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
