导读

光子上转换在能量重整与转化中发挥着至关重要的作用。由于介电屏蔽效应减弱和库伦作用增强，二维半导体中激子束缚能和偶极矩较大，为室温下探索光子上转换提供了理想平台。此外，双光子激发由于独特的跃迁选择定则成为探测暗激子态的关键技术。然而，由于多光子激发效率和光与物质相互作用长度限制，基于二维激子体系实现高效双光子上转换仍充满挑战。

近日，南开大学齐鹏飞、刘伟伟团队与合作者设计了一种二维激子-微腔光场双共振耦合体系，通过协同局域场增强、自发辐射增强以及远场收集效率增强等多重效应，实现了二维激子双光子上转换发光的2440倍增强，同时探究了热调谐双光子上转换增强效应、单一微腔共振模式下常规光致发光和二次谐波的增强效应，进一步深化了对二维激子-等离激元腔场耦合体系双光子上转换的双共振增强机制理解，为高性能非线性光子器件开发和二维激子态的光学探测奠定基础。相关研究成果以“Giant two-photon upconversion from 2D exciton in doubly-resonant plasmonic nanocavity”为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

光子上转换可通过高次谐波、多光子激发、俄歇复合、声子散射等多种机制实现，对能量的重整与转化至关重要。激子作为由电子-空穴通过库伦吸引形成的类氢玻色型准粒子，在低维半导体中，由于介电屏蔽效应减弱和库伦相互作用增强，激子束缚能和偶极矩较大，并且可以稳定存在，因此激子效应通常主导了低维半导体材料的光电特性，为室温下探索光子上转换提供了理想平台。此外，双光子激发由于独特的跃迁选择定则成为探测暗激子态的关键技术。然而，由于多光子激发效率和光与物质相互作用长度限制，基于二维激子体系实现高效双光子上转换仍充满挑战。

研究亮点

本文提出了一种基于等离激元微腔的二维激子双光子上转换发光增强技术，通过协同局域场增强、自发辐射增强以及远场收集效率增强等多重效应，实现了二维激子上转换发光的巨增强。本研究选用单层过渡金属硫族化合物WS₂为上转换发光材料，基于FDTD数值模拟和多种微纳加工技术，构建了金纳米颗粒/有机分子层/WS₂单层/氧化铝层/金衬底等复合结构的二维激子-等离激元腔场耦合体系（图1a），通过调节金纳米颗粒尺寸及金颗粒-金膜间距，使得等离激元腔模式分别与双光子上转换过程中的激发光子和发射光子共振（图1b）。二维激子-等离激元腔场的双共振耦合可显著增强WS₂单层激子上转换发光（图1c）。考虑到Au纳米粒子尺寸与激发光斑面积，估算可得在本研究激发功率范围内，实现了二维激子双光子上转换发光~2440倍增强（图1d）。

图1. 二维激子-等离激元腔场耦合体系双光子上转换增强。（a）等离激元微腔结构示意图；（b）等离激元微腔双共振增强示意图；（c）WS₂单层等离激元微腔内外双光子上转换光谱对比；（d）等离激元微腔内外上转换发光强度的激发功率依赖关系

本文基于FDTD数值模拟和时间分辨荧光探测技术，研究了双光子上转换发光增强机制（图2）。首先，双光子上转换强度与激发光强平方成正比（图1d），等离激元微腔的局域场增强效应可以显著增强双光子激发效率。其次，根据费米黄金定则，偶极跃迁概率与末态的态密度成正比，即自发辐射速率可以通过光学局域态密度调控，因此许多研究工作利用光学谐振腔（如等离激元/电介质微腔）来调控自发辐射速率（图2a），增强激子发光效率，即Purcell效应。此外，等离激元微腔还可以作为纳米级天线改善激子发光辐射方向性，从而增强特定数值孔径光学系统的荧光收集效率。图2b和2c展示了基于FDTD数值模拟的单层WS₂远场发射角分布图。在测量中使用数值孔径NA=0.5物镜条件下，微腔区域（图2b）收集效率为59.1%，较单纯WS₂单层（图2c）处提升1.6倍。图2d-2i展示了基于FDTD数值模拟的等离激元微腔附近的电荷和光场分布，等离激元微腔中的金纳米颗粒与衬底形成镜像偶极子并与金纳米颗粒的表面等离极化激元耦合，显著增强面内和面外电场。

图2. 等离激元微腔增强发光机制。 (a) 单层WS2在等离激元微腔内（红色）外（蓝色）的时间分辨寿命； (b) 数值模拟的等离激元微腔内远场发射角分布图； (c)数值模拟的等离激元微腔外远场发射角分布图； (d-i) 等离激元腔在两个模式下的电荷分布与场分布。

此外，本文探究了上述耦合体系的温控双光子上转换效应，通过激子上转换发射峰位与等离激元共振模式重合的热调谐，等离激元微腔-激子耦合系统在350 K时增强可超过3000倍。同时，为深化对双共振等离激元微腔中双光子上转换巨增强物理机制的理解，本文还探究了单一微腔共振模式对常规光致发光和二次谐波的增强效应，当仅与WS₂单层激子态共振时，常规光致发光增强~890倍；当仅与入射光共振时，二次谐波增强约134倍，均低于双共振条件下的双光子上转换增强，进一步阐明了耦合体系双光子上转换的双共振增强效应。

总结与展望

本研究设计了一种二维激子-微腔光场双共振耦合体系，通过协同局域场增强、自发辐射增强以及远场收集效率增强等多重效应，实现了二维激子双光子上转换发光的2440倍增强，同时探究了热调谐双光子上转换增强效应、单一微腔模式下常规光致发光和二次谐波的增强效应，进一步深化了对二维激子-等离激元腔场耦合体系双光子上转换的双共振增强机制理解，为高性能非线性光子器件开发和二维激子态的光学探测奠定基础。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02010-w