允许调制和检测光信号的光电设备对于电信技术将是极为有益的。 这些设备最有前途的平台是激子设备，因为它们提供了非常有效的光耦合。特别重要的是那些基于间接激子的激子，因为它们的寿命很长。在最新一项研究中，研究人员演示了基于双层WSe 2的激子晶体管和路由器。由于其强大的偶极矩，双层WSe 2中的激子可以通过横向电场控制。  同时，与基于过渡金属二溴二化物的人工堆叠异质结构中的间接激子不同，自然堆叠双层膜的制造要简单得多。

 相关论文以“Electrically controllable router of interlayer excitons”为题，与北京时间2020年10月07号发表在《Science Advances》上。

 对更快的电信技术的日益增长的需求要求将信号处理从电子领域转移到光学领域     。       在这方面的一个非常有前途的机会是由激子设备。这些设备将光转换为激子，通过电场或磁场操纵激子，并将激子转换回光。       特别重要的是基于间接激子的设备，它提供了更长的时间（最多两个数量级）的       寿命与直接激子。  

 二维（2D）的材料的出现，特别是过渡金属二硫属化物（TMDC），它成为可以通过组合不同的化学组成。 这些材料由于具有更大的激子结合能（数百毫伏），因此对于光电子器件而言可能更具前景，这将使它们能够在高温下工作。已经证明，基于TMDC的层叠单层的光电器件可以是在室温下（操作1）。而且，通常通过分子束外延或金属有机化学气相沉积在高温下外延生长来获得III-V薄膜。  由于复杂的反应器和高真空系统，这些设备非常昂贵。由界面处的晶格失配引起的应变导致缺陷的高度集中。

 不同的是，二维材料异质结构是通过范德华力组合的。 因此，它们的单晶行为受到了很好的抑制。但是，堆叠TMDC形成范德华异质结构是一个繁琐的过程，通常会导致界面污染并导致无辐射损失。本质上双层样品和逐层制造的异质结构之间的差异实际上可以通过显微镜观察到。  2 / WSe 2异质结构通常具有气泡和粗糙表面。

 最近的实验表明，形成在堆叠的异质结构的条纹图形可以阻碍激子扩散。 此外，堆叠的晶体的晶体学方向必须对齐，以尽量减少在这种间接激子的电子和空穴之间的动量不匹配，研究人员提出了一个相当大的技术问题。

 研究人员建议使用WSe 2的自然存在的2H堆叠双层来产生间接激子。 电子和空穴被分离到不同的层，形成空间间接激子。与基于TMDC的不同层的机械堆叠范德华异质结构不同，研究人员的自然堆叠双层WSe 2在层之间没有任何污染物，因此提供了非常高质量的异质结构，更高的光致发光（PL）发射效率和非常高的间接激子的寿命长。  势能和结合能可以通过横向电场控制，这使研究人员能够远程操纵这些间接激子并演示晶体管和路由器的行为。

 研究人员的样品是通过将2H结合的双层WSe 2堆叠在两个厚（约20 nm）的六方氮化硼（hBN）晶体之间而制成的。 将整个堆叠体转移到带有预构图金电极的Si / SiO 2衬底上（电极的特定形状取决于特定的实验）。全局石墨烯门已转移到整个堆栈顶部。本工作中介绍的所有测量均使用两个设备进行。装置1具有形成为一系列平行条纹的底部电极（图1和2）。设备2的几何形状设计为三束星形（图3和图4）。

    图1 通过电场控制层间激子的2D势能。    （A）WSe 2双层的PL 。以〜736和〜784 nm为中心的发射分别归因于层内激子和层间激子跃迁。栅电压为0和10 V时，层间激子的PL光谱表明峰位置发生了约24 nm的红移。样品温度为10 K. au，任意单位。（B）层间激子发射强度随施加的栅极电压和波长的变化的等高线图。激发功率为30μW，工作在532 nm。（C）一种激子晶体管的结构示意图。（D）分别施加负（顶部），零（中间）和正（底部）栅极电压时，阱，自由扩散和扩散的激子动态状态的激子能量偏移示意图。（E到G）激子俘获，扩散和扩散的实空间发射强度图，分别对应于栅极电压V G = -9、0和11V。白色虚线表示底部电极的边缘。比例尺，2μm。（H）从真实空间发射强度图提取的整个电极上的发射强度曲线。激发点聚焦在电极的中心。激发功率在532 nm时约为200 nW。

    图2 激子晶体管的操作。    激子ON和OFF操作的实际空间发射强度图，分别对应于施加到电极2的电压[E2（G）] V G = 9 V（A），-9 V（B）。施加到电极1 [E1（S）]和电极3 [E3（D）]的电压分别为4 V和0V。白色虚线表示底部电极的边缘。比例尺，2μm。（C）沿（A）和（B）中实心黑色箭头的发射强度曲线。激发功率在532 nm下约为600 nW。两个V G ^ = 0和9 V可以被看作是ON状态，这是与形成了鲜明的差V g ^ = -9 V（OFF状态）。

    图3 激子晶体管工作的单向运动。    （A）设备的光学图像。黑色区域是底部电极。（B）一个晶体管处于导通状态时的实空间发射强度图。的V小号= 0V和V D1 = -1 v创建一个势能偏移，和在栅极电压Δ扰动V G1 = 20V。为了提高图像的对比度，图像显示ON之间的归一化的PL强度差当V G1，ON＝ 10 V且V G1，OFF＝ -10 V时，处于关断状态。在晶体管2和3上未施加电压。（C）第二晶体管导通时的实空间发射强度图。VS = 0 V，V D2 = -1 V，V G2，ON = 10 V，V G2，OFF = -10V。施加在晶体管1上的电压与（B）中的相同。没有在晶体管3上施加电压。白色虚线表示底部电极的边缘。激发点聚焦在三角形电极的中心。红色实心箭头是眼睛的指南。激发功率为730 nm时的〜100μW。比例尺，5μm。

    图4 激振路由器操作的点对点运动。    激子信号路由可通过在端口1、2和3上直接施加栅极电压来实现。所有栅极电压均设置为零。（A）激子从端口1到端口2的传播；V 1 = 0 V，V 3 = 3 V，V 2，ON = -3 V，V 2，OFF = 3V。（B）激子从端口2到端口3的传播；V 1 = 8 V，V 2 = 0 V，V 3，ON = -1 V，V 3，OFF = 10V。（C）激子从端口3到端口1的传播；V 2 = 4 V，V3 = 0 V，V 1，ON = -0.5 V，V 1，OFF = 6V。（D）激子从端口3传播到端口1和端口2；V 3 = 0 V，V 1，ON = 0 V，V 1，OFF = 8 V，V 2，ON = 0 V，V 2，OFF = 8V。为了提高图像的对比度，图像显示ON和OFF状态之间的归一化PL强度差异。平行于激子传播方向的白色实心箭头绘制为眼睛的向导。红色圆圈表示激光激发点。激发功率在730 nm时约为200μW。比例尺，5μm。

    单向激子晶体管操作  

 接下来，研究人员将基于激子的单向运动演示激子转换。 制作了由三个激子晶体管组成的激子电路（有关详细的制造过程，请参见材料和方法）。图3A示出了电路的光学图像。激子晶体管设计为具有三个端子的器件，  包括源极，栅极和漏极 ，如图1C所示。它像电场效应晶体管（36 – 38），其通过使用栅极施加电场来调制电荷载流子密度，从而调制薄半导体通道的电阻，从而起作用。激子强度差驱动在激发下产生的IX从源向漏极移动。栅极电压的施加会静电调节距离和浓度。负电压将IX捕获在栅极区域中，从而减少了传播到漏极的IX浓度。在研究人员的设计中，三个晶体管具有一个公共电极，即三角形电极，如图3A所示。

 研究人员检查了栅极电压对IXs人口分布的净影响。 图3（B和C）显示了三角形电极的中心时的实空间发射图。为此，发射强度的净增量是晶体管处于导通状态（栅电极，10 V）和截止状态（-10 V）时PL发射的差。这也避免了由测量系统引起的背景噪声。图3A示出了处于导通状态的一个晶体管的发射图像。  V= 0V和V d = -1V的创建势能偏移，和在栅极电压Δ扰动V ģ= 20V。  在该器件中，源极和漏极之间的距离为4μm。 同时，其他两个晶体管保持不活动状态。电路的星形结构允许星形切换。图3C示出晶体管2也被导通。IXs磁通量同时在两条路径上以120°角传送。

    激振路由器操作  

 研究人员进一步重新配置了同一电路，以演示点对点运动以实现激子循环的设备功能。 研究人员将三个外部电极视为路由器的三个端口，分别在图4中用端口1、2和3表示。首先，将激发激光光斑聚焦在端口1上。通过在漏电极端口1（0 V）和端口2（-3 V）上施加电压，同时在漏极电极1上施加高电压（3 V）来创建势能差。端口3。这种机制允许在端口1产生的激子仅传输到端口2。图4（B和C）显示了激子从端口2传播到端口3，同样从端口3传播到端口1。图4D显示激子同时从端口3移动到端口1和端口2。激子根据电压应用传输到一个端口或两个端口。

 因此，路由器是可编程的，并且其操作方向由施加在每个端口上的电压定义 。图4B中端口1角落的轻微发射是由非理想设备引起的。研究人员的激振式路由器的基本要素是全光输入输出信号处理，设备尺寸的小型化以及低压电驱动方案的灵活性。

    总结  

 总而言之，研究人员的实验证明了  原子薄均质材料中激子动力学的电可控性，呈现了可控方向上的激子传播。 这实现了集成电路中的小型片上全光器件，激子开关和激子布线的概念设计。研究人员设想，这种概念验证装置可能为开发与激子相关的实际应用铺平一条有前途的道路，并为这种玻色子粒子的研究注入新的活力。