Excitons in two-dimensional semiconductor have been focused by their fabulous material properties such as bosonic nature, strong binding energy, high internal quantum efficiency, and spin-valley locking. To exploit the excitons as a platform for quantum many-body phenomena and optoelectronic devices, their lifetime have to be tailored without perturbation on their material properties. Nanophotonic manipulation of the local density of optical state can pave a way to control the radiative decay rate and the optical excitation of exciton. Here, I present three type of nanophotonic platforms for utilizing two-dimensional excitons’ decay dynamics. Additionally, I present the theoretical study of the canonical spin angular momentum distribution nearby a nanophotonic structure.
First, I suggest the plasmonic photonic crystal mirror for long-lived interlayer exciton generation. With employing the numerical simulations, I reveal that the radiative decay rate of the out-of-polarized dipole emitter, which corresponds to an interlayer exciton, can be prohibited with the band gap of the plasmonic photonic crystal mirror.
Second, I present the plasmonic metasurfaces for optical customization of the decay dynamics of excitons in a two-dimensional semiconductor. The metasurfaces experimentally manipulated the radiative decay rate of excitons in MoSe2 monolayer depending on the position by two orders of magnitude. Also, I demonstrated the polarization dependent exciton radiative decay using an anisotropic metasurface.
Third, I present the spatial modulation of radiative decay dynamics of exciton complexes in the WSe2 monolayer employing a gradient-thickness mirror. I demonstrated that the spatially varying ratio between the photoluminescence intensity from the exciton complexes.
Finally, I present a theoretical study on three-dimensional textures of the canonical spin angular momentum distribution of a sub-wavelength plasmonic nanostructure and nanoscale engineering of their behaviors.
이차원 반도체 내의 엑시톤은 보존적 특성과 강한 결합 에너지, 높은 양자 효율 그리고 스핀-밸리 잠금 등의 우수한 물질적 특성들로 주목을 받고 있다. 엑시톤을 양자 다체 현상의 관측을 위한 플랫폼으로 사용하거나 광전자공학 장비의 구현에 활용하기 위해서는, 물질적 특성에 방해를 하지 않으면서 수명을 조절할 수 있어야 한다. 광학적 상태 밀도 조절을 통해 엑시톤의 여기와 발광 붕괴 속도를 조절할 수 있다. 본 연구에서는 이차원 물질 내 엑시톤을 활용하기 위한 세 종류의 나노광학적 플랫폼을 구현했다. 나아가 나노광학적 구조 근처에서 형성되는 빛의 정준 스핀 각운동량 분포에 대한 이론적 연구를 제시한다.
첫번째로, 플라즈모닉 광결정 거울을 통해 인터레이어 엑시톤의 수명을 길게 연장할 수 있음을 이론적으로 보였다. 플라즈모닉 광결정의 밴드갭을 활용하여 광학적 상태 밀도를 극도로 낮춤으로서 인터레이어 엑시톤에 해당하는 수직 방향의 쌍극자 이미터의 발광 붕괴가 성공적으로 억제될 수 있었다.
두번째로, 플라즈모닉 메타표면을 활용해 2차원 물질 내부 엑시톤의 붕괴 동역학을 광학적으로 조절했다. 실험적으로, 메타표면을 이용해 위치에 따라 엑시톤의 발광 붕괴 속도를 두 자릿수에 달하는 정도로 조절하는데 성공하였다. 또한 편광 방향에 따라 엑시톤이 다른 속도로 발광 붕괴하도록 만드는 이방성 메타 표면을 구현하였다.
세번째로, 두께 구배 거울을 활용하여 이차원 반도체 단원자막 내부 엑시톤 복합체들의 발광 붕괴를 공간적으로 제어하였다. 발광 붕괴 제어의 근거로서, 엑시톤 복합체들의 발광 세기가 공간에 따라 다른 비율로 변함을 관측하였다.
마지막으로, 플라즈모닉 나노 구조를 활용하여 정준 스핀 각운동량의 삼차원적 구조체를 형성하고 움직임을 제어하는 이론적 연구를 수행했다.
