基于二维半导体单分子层的低损耗复合光子平台

石墨烯和过渡金属硫族化合物（TMDs）等二维材料因可通过静电掺杂按需调控其材料特性，在光调制、探测和发光方面颇具前景。研究表明，在激子共振附近的波长范围内，TMDs的光学特性随掺杂发生剧烈变化。然而，关于远离这些共振处掺杂对TMDs光学特性的影响却鲜有认知，而在该区域材料透明，因而可被利用于光子电路中。在此，我们通过将单分子层TMDs集成于氮化硅（SiN）光子结构上以诱导其与单分子层的强光—物质相互作用，探究了其在近红外（NIR）波长（即深透明区）下的电光响应。我们利用离子液体对TMD进行电学栅控，将其掺杂至载流子密度（$7.2 \pm 0.8$）$\times$ $10^{13} \textrm{cm}^{-2}$。通过测得实部折射率的大幅变化 $\Delta$n = $0.53$ 且虚部仅微小变化 $\Delta$k = $0.004$，我们展示了单分子层二硫化钨（WS$_2$）在近红外波长下的强电折射响应。掺杂诱导的相变（$\Delta$n）相较于WS$_2$测得的诱导吸收（$\Delta$k）（$\Delta$n/$\Delta$k $\sim 125$），这一光子学关键指标，比硅等体材料（$\Delta$n/$\Delta$k $\sim 10$）高一个数量级，使其非常适用于各类光子应用。我们进一步利用这一强可调效应，采用WS$_2$-HfO$_2$（氧化铪）-ITO（氧化铟锡）电容构型演示了静电栅控SiN-WS$_2$相位调制器，实现了0.8 V $\cdot$ cm的相位调制效率（V$_\pi$L）及0.3 GHz的RC限制带宽。