Перестраиваемые оптические микрорезонаторы, изготовленные из двумерных материалов, таких как дисульфид молибдена, могут быть использованы для создания оптоэлектронных приборов будущего, в частности, тонкопленочных лазеров и детекторов. К таким выводам пришла группа ученых из Великобритании, а также их коллеги из России, создавшие микрорезонатор с помощью зеркал с высокой степенью отражения, удерживавших излучаемый двумерной структурой свет в узкой полосе. Подобные результаты для микрорезонаторов из дихалькогенидов были получены впервые.

Механические и электронные свойства двумерных материалов существенно отличаются от их трехмерных аналогов, поэтому такие структуры могут найти применение в целом ряде новых устройств. До сих пор, однако, большинство исследований в этом направлении было сфокусировано на наиболее известном двумерном материале – графене (листах атомов углерода, образующих двумерную гексагональную решетку).

Проблема графена в том, что этот материал не имеет прямой запрещенной зоны для носителей заряда (между валентной зоной и зоной проводимости). Надо отметить, что ширина запрещенной зоны имеет важное значение для электроники, поскольку она позволяет использовать материал для включения и выключения потока электронов, а также для излучения света в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Это привело исследователей к поиску иного кандидата на роль заменителя кремния в полупроводниковой электронике среди двумерных материалов.

Среди наиболее перспективных двумерных материалов стоит отметить дихалькогениды переходных металлов. Эти ван-дер-ваальсовы материалы имеют химическую формулу MX2, где M – это переходной металл (например, молибден или вольфрам), а X – халькоген (например, сера или теллур).

В отличие от своих трехмерных аналогов, являющихся полупроводниками с непрямой запрещенной зоны, двумерные пленки дихалькогенидов переходных металлов – проводники с прямой запрещенной зоной. Также надо отметить, что монослой этого материала эффективно поглощает и испускает свет, поэтому он может быть использован для создания различных оптоэлектронных устройств, к примеру, светоизлучающих диодов, солнечных элементов или высокочувствительных детекторов света.

Группа ученых из University of Sheffield (Великобритания), а также их коллеги из Manchester University, Oxford University и Российской Академии Наук, смогли существенно (до 60 раз) увеличить количество света, излучаемого одним монослоем MoS₂, разместив пленку дихалькогенида между двумя зеркалами с высокой степенью отражения.

Тонкие слои MoS₂ для своей работы ученые получили с помощью известной методики «липкой ленты», изначально применявшейся для получения графена из трехмерного образца графита.

Методика подразумевает отделение одиночных атомных слоев от объемного материала. В рамках проведенного эксперимента свет, излучаемый MoS₂, оказывается ограничен двумя зеркалами, в результате чего увеличивается взаимодействие между двумерной пленкой и фотонами сгенерированного излучения. Следствием этого взаимодействия становится повышение интенсивности излучения. Но это еще не все. Генерируемый таким устройством свет ограничен узкой спектральной полосой (называемой модой резонатора).

В эксперименте ученые использовали два независимых набора устройств для позиционирования зеркал с точностью до нанометров. Это позволило точно измерить расстояние между ними и контролировать частоты моды резонатора простым перемещением зеркал.

Данная работа впервые показала, что

светом однослойных пленок можно управлять, корректируя параметры микрорезонатора. Если исследователям удастся улучшить качество используемых материалов и оптимизировать дизайн структуры, они смогут создавать на их основе разнообразные устройства.

В ближайшей перспективе научная группа планирует сделать устройство, в котором излучаемый свет снова поглощается монослоем материала, прежде чем выйти из системы через частично отражающее зеркало. Сильное взаимодействие света и вещества поможет изучить некоторые фундаментальные физические свойства подобных структур.

Детали работы опубликованы в журнале Nano Letters.