自2015年美國華盛頓大學徐曉東教授課題組報道了第一個基于二維TMDC材料的微納激光器,在低溫下實現(xiàn)了激光發(fā)射,從此拉開了二維材料激光器研究的序幕。他們將單層WSe2轉(zhuǎn)移到在磷化鎵材料上制備的光子晶體微腔上(圖1(a)),通過移除光子晶體上3個相鄰的小孔形成線性缺陷腔,也被稱為L3光子晶體缺陷微腔。激光的發(fā)射主要通過“L-L”曲線中的明顯扭結(jié)和線寬變窄來識別(圖1(b))。
之后,人們對于二維層狀材料激光器進行了大量的研究。美國加州大學張翔教授課題組將單層WS2 (帶隙約2 eV) 嵌在氮化硅(Si3N4)微盤諧振腔和氫倍半硅氧烷(HSQ)薄膜中間(圖1(c)),在低溫下實現(xiàn)了激子型激光。HSQ薄膜既能增強微腔的腔模式與增益介質(zhì)中激光模式的重疊程度,又能避免材料暴露在空氣中而被降解。與直接將單層材料放置在腔體上構(gòu)成的器件相比,這種封裝方法還把該結(jié)構(gòu)的光學限制因子提高了約30%。該激光器量子產(chǎn)率高,面積小且功耗低。
圖1 低溫下實現(xiàn)了激子激光器。(a) WSe2/光子晶體復合結(jié)構(gòu)的示意圖;(b)激子激光器的光譜性質(zhì);(c) WS2/微盤復合結(jié)構(gòu)的示意圖
同年,加拿大麥吉爾大學Salehzadeh等人在室溫下實現(xiàn)了二維層狀材料激光器(圖2(a)),他們將機械剝離得到的四層MoS2嵌入在SiO2微盤和獨立的微球之間來構(gòu)建激光器件。這種的腔結(jié)構(gòu)可以提高品質(zhì)因子,顯著增強MoS2與光腔模之間的耦合程度,最終在室溫下實現(xiàn)了連續(xù)光泵浦的超低閾值激射,圖2(b)、2(c)是對應的激子激光光譜。這是二維層狀材料激光器進入實際應用的第一步,是TMDC半導體激光器實現(xiàn)室溫應用的里程碑。
之后,在2017年,新加坡南洋理工大學于霆教授課題組將單層WS2放置在DBR微腔中構(gòu)筑了垂直腔面發(fā)射器(VCSEL),在室溫下使用532 nm的連續(xù)光泵浦,實現(xiàn)了低閾值的激光發(fā)射(圖2(d))。
上述研究都是在可見光區(qū)實現(xiàn)了二維材料的激子發(fā)射。然而,在可見光波長范圍內(nèi)的應用難以實現(xiàn),如果可以在近紅外波段內(nèi)實現(xiàn)激射,就可以與硅基集成技術聯(lián)系起來,應用于片上光互連和光電集成領域。
2017年,清華大學寧存政教授課題組將單層MoTe2轉(zhuǎn)移到一維硅基光子晶體上(圖2(e)),展示了單層TMDC半導體材料在紅外光譜范圍內(nèi)的室溫激光發(fā)射,表明在室溫下可能制造出具有最小增益介質(zhì)體積和器件尺寸的激光器,實現(xiàn)高效能的片上光互聯(lián)。
圖2 室溫下實現(xiàn)了激子激光器。(a) MoS2/微球-微盤復合結(jié)構(gòu)的示意圖;(b)-(c)激子激光器的光譜性質(zhì);(d) WS2/DBR復合結(jié)構(gòu)的示意圖;(e) MoTe2/光子晶體復合結(jié)構(gòu)的示意圖
2018年,中山大學王雪華教授課題組將多層MoTe2作為增益材料放在L3型硅光子晶體納米腔中,實現(xiàn)了類激光的發(fā)射。隨后,在2019年,王雪華教授課題組將單層MoTe2夾在兩層氮化硼(BN)之間制得了三明治結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié),此結(jié)構(gòu)保護了層狀材料免受空氣和水分的影響,然后將其放置到單模共振腔上,在室溫下實現(xiàn)了激光發(fā)射。
在上述文獻中,基于二維TMDC的激光器使用的單層TMDC材料均是通過機械剝離方法獲得,重復性和可控性存在一定挑戰(zhàn)。為了解決這一問題,北京大學張青教授課題組將CVD法生長的高質(zhì)量、大面積的單層MoS2用作激光器的增益材料,將表面光滑的SiO2微球放在CVD法生長的單層MoS2薄膜上(圖3(a)),在較大的溫度范圍內(nèi)(77 K- 400 K)實現(xiàn)了激光發(fā)射(圖3(b)-(c))。
圖3 高溫下實現(xiàn)了激子激光器。(a) MoS2 /微球復合結(jié)構(gòu)的示意圖; (b)-(c)激子激光器的光譜性質(zhì)
2、層間激子激光器
在先前的研究中,主要是TMDC材料的激子激光發(fā)射,大部分出射光位于可見光波段,而異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建為帶隙調(diào)節(jié)提供了更多方式。異質(zhì)結(jié)中層間激子其輻射位置處于紅外波段,可以與硅光子學的技術兼容。層間激子相對較長的壽命也降低了激光出射對于微腔品質(zhì)因子的要求。
2019年,新加坡南洋理工大學高煒博教授課題組第一次報道了室溫下基于MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)的室溫層間激子激光器。圖4(a)所示為激光器的三維結(jié)構(gòu)示意圖,將MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)放在垂直耦合的光子晶體腔上,實現(xiàn)了在紅外波段的激光發(fā)射,能夠與硅光子技術相兼容,為納米光子學的應用提供了更多的可能。
隨后,美國密歇根大學的鄧慧教授課題組也通過將WSe2/MoSe2異質(zhì)結(jié)放在集成的氮化硅(SiN)光柵諧振器中實現(xiàn)了層間激子激光(圖4(b))。圖(c)-(e)是層間激子激光的光譜性質(zhì),利用邁克爾遜干涉儀來研究了層間激子激光的空間相干性,排除了超線性相關性以外的其他可能原因,如局域激子等,證實了空間相干性激光的形成。
圖4 層間激子激光器。(a) WSe2/MoSe2異質(zhì)結(jié)/光子晶體復合結(jié)構(gòu)的示意圖;(b) WSe2/MoSe2異質(zhì)結(jié)/光柵-腔激光系統(tǒng)的示意圖;(c)-(e)層間激子激光器的光譜性質(zhì)
總結(jié)與展望
從目前的研究結(jié)果來看,TMDC激光器已經(jīng)能在室溫條件下實現(xiàn),主要包括光致激子發(fā)光和層間激子發(fā)光,波長覆蓋了可見區(qū)和紅外區(qū)域,能與硅基光子學相兼容,為納米光子學在片上光互連和光電集成等發(fā)面的應用邁出了堅實的一步。
但是還存在許多挑戰(zhàn),目前所有的TMDC激光器都是光泵浦的,這限制了它的實際應用。因此,如何實現(xiàn)電泵浦下的激光產(chǎn)生還需進一步的探索。未來在電泵浦TMDC激光器以及基于TMDC材料的極化聲子激光器方面均有很大的發(fā)展空間,值得深入探索與研究。
參考文獻: 中國光學期刊網(wǎng)
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