电子工程系

Department of Electronic Engineering

清华大学电子系宁存政课题组首次在室温下实现基于二维材料的纳米激光

纳米激光是近年来国际上活跃的研究领域之一,是传统半导体激光和纳米光电子学结合的新前沿。该研究旨在探索激光器尺寸小型化的极限,最终为光电集成及其在未来计算机芯片上的应用进行前沿性探索。清华大学电子系教授,“千人计划”专家宁存政是国际上纳米激光的开拓型领军人物,曾在世界上首次制成尺寸小于半波长的电注入纳米激光器,并第一个实现了电注入金属腔纳米激光器的室温连续模运转。但由于这种金属腔的损耗较大,导致激光器阈值过高。为了实现超小体积、超低功耗的纳米激光器,他们近年来一直在探索新型激光腔设计和新型增益材料。

最近,他们终于在这一领域取得重要进展。7月18日,宁存政教授课题组李永卓等在《自然 · 纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上发表了《基于单层二碲化钼和硅纳米臂腔的室温连续模纳米激光》(Room-temperature continuous-wave lasing from monolayer molybdenum ditelluride integrated with a silicon nanobeam cavity)一文,首次报导了室温运转的二维材料纳米激光器。只有单层分子厚度的二维材料近年来受到了许多领域的高度重视,其中具有半导体特性的材料凭借其独特的激子发光机制为纳米激光提供了最薄的光学增益材料。两年前美国科学家在可见光范围内实现了极低温度的激光激射,但室温运转一直没有实现。宁存政教授领导的研究组结合他们多年纳米激光研究的经验,将这种超薄的二维材料和硅基纳米臂腔结合,在世界上首次实现了二维材料纳米激光的室温运转,这一突破对硅基光子集成,激子激光等意义重大。

在最新的《自然?纳米技术》论文中,他们利用厚度只有0.7纳米的单层二碲化钼作为增益材料,以及一个宽度仅300多纳米,厚度200多纳米的硅纳米臂腔作为激光器谐振腔。在上述二维材料中,电子和空穴的结合能非常高,可形成稳定的激子态,因而具有较高的发光效率。另一方面,硅基纳米臂腔具有超高的光学品质因子,同时二碲化钼的激子辐射波长在硅材料内几乎没有吸收(接近透明)。因而二维材料和硅基纳米臂腔的“强-强”结合(如图-1所示),是将激光器运转温度提升到室温的重要原因。

此项研究工作需要制作尺寸精准的纳米悬臂结构,并在悬臂上刻蚀出大小不同的一维圆孔阵列,同时将只有单层的二维材料精准地转移到纳米悬臂结构上,这对纳米加工和纳米操作技术提出了巨大的挑战。李永卓、章建行、及工程师黄丹丹等人克服了一系列困难,终于在世界上首次实现了二维材料纳米激光的室温运转。

这一工作对基础研究和实际应用都有重要意义。首先,二维材料作为最薄的光学增益材料受到世界范围内的重视,并已被证明可以支持低温下的激光运转,但是这种单层分子材料是否足以支持室温下的激光运转,尚存疑虑。而室温运转是绝大部分激光实际应用的前提,因而各种新型激光的室温运转在半导体激光的历史上总是具有指标性的意义。另外,由于二维材料中极强的库伦相互作用,电子和空穴总是以激子态出现,因而这种激光与一种新型的激子极化激元激光及激子极化激元的玻色-爱因斯坦凝聚密切相关,是基础物理领域目前活跃的课题之一。

这一工作的另一意义在于硅基光电子集成和未来计算机芯片。众所周知,硅材料是目前微电子技术包括计算机芯片的基础,但由于硅是一个效率极低的发光材料,所以在未来光电集成的芯片中需要以某种方式将其它发光材料与硅衬底集成。而这种集成也是近几十年来光电集成中悬而未决的难题。通常的做法是将发光效率高的III-V族化合物半导体与硅粘合在一起。与上述做法相比,单层厚度的二维材料不会由于应力或晶格失配引起任何损伤或性能降低,这将为未来硅基光电集成提供了一个新的思路或可能的出路。另外,由于激子的高效率发光,这种激光的阈值极低,可用于未来片上集成所要求的高能效光源。

该研究是清华大学与美国亚利桑那州立大学合作的结果,主要工作在国内完成。电子系李永卓助理研究员为论文第一作者,宁存政教授为论文通信作者。参与论文工作的还有清华大学博士生章建行、工程师黄丹丹、助理研究员孙皓博士、博士生冯家斌和王震,以及亚利桑那州立大学的樊帆博士。该研究成果得到了清华大学自主科研项目(20141081296)和中组部千人计划的支持。

论文链接:https://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2017.128.html