当我们站在欧洲古老的教堂里仰望，精美的穹顶壁画时而显现迷人的光晕。古代的艺术家们并不知道，他们沾着金粉的画笔创造的是一种表面等离子体共振效应。浙江大学信息电子工程学院林时胜小组与厦门大学李剑锋小组合作，用金银纳米颗粒形成的等离子共振效应用于二维半导体设计，使得单原子层二硫化钼发光效率提升110倍，且实现了高性能的可见光光电探测器件。相关论文于5月22日在国际著名期刊《Advanced Materials》在线发表（DOI: 10.1002/adma.201706527），第一作者为浙江大学林时胜课题组的博士研究生吴志乾，共同第一作者是厦门大学李剑锋课题组的博士研究生杨晶亮。
二硫化钼是一种二维半导体材料，是类石墨烯二维材料，具有原子级别厚度，科学家把它视为柔性光电器件的优良素材，是世界上最小的晶体管所用的半导体(Science, 354, 99 (2016))。但它的超薄特性也限制了其光电器件性能。“因为薄，其吸光能力就有限，对于可见光波的吸光率在8%以内。”林时胜说。2015年，UC berkley的Ali Javey等人利用修补二硫化钼材料本身的缺陷获得了发光强度的极大提升，相关成果发表在当年的Science杂志(Science, 350, 1065 (2015))。林时胜团队则另辟蹊径，尝试用贵金属的等离子共振效应来弥补二硫化钼的短板。
什么是等离子共振？论文共同作者冯思睿解释说，由于金属表面存在大量自由电子，自由电子在入射光场的作用下发生集体振荡。在特定条件下，入射光与金属薄膜的振荡电子发生共振，对入射光的吸收显着增强，这种现象被称为“表面等离子共振 (SPR)”。
图：高响应度的MoS2光电探测器件
在仅相隔几个原子层厚度的金银纳米颗粒之间，林时胜团队创造性地把二硫化钼播薄膜插入其中，当金银纳米颗粒发生表面等离子体共振，就形成一个独特的约束场，将光场“压缩”在少数几个原子层的范围内。这种效应，明显提升了二硫化钼的吸光性能和光电转换性能。发光光谱对比显示，单原子层二硫化钼半导体的发光效率得到两个数量级的提升，刷新了该领域的增强记录。林时胜团队还以此开发出光电传感器，获得了响应度高达287.5AW-1的可见光光电探测器。
“我们的关键是关键利用了金属之间形成的原子厚度级间隙结构可将电磁波的能量高度“压缩”，加强了而为半导体与电磁场的相互作用，增强二维半导体对入射光的光电转换能力。”林时胜说，相同的思路还可以用于其他材料的二维半导体设计中。光电转化能力决定着光电器件的灵敏程度，该成果可以用于设计高性能柔性二维半导体光电传感器，未来可以广泛用于柔性可穿戴设备等。“比如将来我们可以通过这种超灵敏的半导体器件来制造高性能图像传感芯片。” 林时胜说。
（周炜）