近年來，二維層狀半導(dǎo)體由于其無懸掛鍵表面、原子級(jí)薄的結(jié)構(gòu)、豐富的激子類型和能谷特性以及強(qiáng)空間限制等優(yōu)異的化學(xué)和物理特性，已成為發(fā)展片上激光源和放大器非常有前途的增益材料。利用二維層狀半導(dǎo)體作為增益材料的激光源，具有超小體積、低閾值和易于發(fā)射的優(yōu)點(diǎn)。然而，這些激光源制備工藝較為復(fù)雜且工作波段主要在紅光區(qū)域，極大限制了其商業(yè)應(yīng)用。層狀半導(dǎo)體InSe，當(dāng)其厚度大于6 nm時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體，可以同時(shí)用作增益介質(zhì)和光學(xué)腔，并且不需要外部光學(xué)腔，可以進(jìn)一步與自上而下的光刻工藝兼容。因此InSe用于發(fā)展相干光子源具有獨(dú)特的吸引力。此外，InSe展現(xiàn)出超塑性變形能力，通過施加外部壓力來改變InSe的晶格結(jié)構(gòu)、原子間距和層間距離，可以進(jìn)一步調(diào)控InSe的電子帶隙，有望發(fā)展超寬譜多色光源。

 

基于以上研究背景，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張青課題組研究了InSe室溫近紅外激射行為，揭示了激子-激子散射誘導(dǎo)的增益機(jī)制，探究了靜水壓調(diào)控近紅外區(qū)熒光激射性質(zhì)。相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Nano.2022, 16, 1477-1485，題為“Room-temperatureNear-infrared Excitonic Lasing from Mechanically Exfoliated InSe Microflake”，和Nano Letters.2022, 22, 3840-3847，題為“Engineering Near-Infrared Light Emission in Mechanically Exfoliated InSe Platelets through Hydrostatic Pressure for Multicolor Microlasing”，第一單位均為北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。

 

（a）機(jī)械剝離InSe薄片的激射光譜。插圖分別為InSe薄片光學(xué)圖像和激子-激子散射示意圖；（b）InSe納米片發(fā)光的焦平面成像（強(qiáng)度歸一化），白色虛線對(duì)應(yīng)強(qiáng)度曲線顯示面外激子發(fā)光占比達(dá)97%。

 

利用機(jī)械剝離的InSe微米薄片，張青課題組首先展示了室溫近紅外微納激光，其凈光學(xué)增益達(dá)到1029 cm 1（ACS Nano.2022, 16, 1477-1485）?；跍囟取⒐β室蕾嚐晒夤庾V，發(fā)現(xiàn)激子-激子散射是InSe微納激光的增益來源。此外，他們結(jié)合激光直寫技術(shù)加工出InSe微盤腔，激光閾值下降超過60%。以上結(jié)果為未來開發(fā)低功耗的片上近紅外激光源提供了新的思路。該工作第一作者為材料科學(xué)與工程學(xué)院2021級(jí)普博生李淳。該工作還得到了北京大學(xué)高宇南研究員、武漢大學(xué)曹強(qiáng)研究員、中科院半導(dǎo)體所魏鐘鳴研究員和張俊研究員的幫助。

 

（a）靜水壓調(diào)控機(jī)械剝離二維InSe薄片發(fā)光示意圖;（b）PL光譜隨壓力變化的2D彩色圖像。

 

進(jìn)一步，張青課題組與中科院半導(dǎo)體所魏鐘鳴研究員和西南大學(xué)汪敏副教授課題組合作，利用金剛石對(duì)頂砧對(duì)InSe自發(fā)輻射和熒光激射實(shí)現(xiàn)了寬譜靜水壓調(diào)控，兩者的調(diào)控范圍可達(dá)185nm和111nm（Nano Letters.2022. 22, 3840-3847）?；诘谝恍栽碛?jì)算，揭示了InSe的壓致波長(zhǎng)藍(lán)移主要來自于面內(nèi)In-Se鍵的壓縮。此外，InSe在靜水壓作用下的自發(fā)輻射強(qiáng)度演變可分為三個(gè)階段：（1）小于1.3 GPa時(shí)，熒光強(qiáng)度由于壓力誘導(dǎo)晶格畸變而降低；（2）1.3-4.7GPa時(shí)，激子結(jié)合能增加，熒光強(qiáng)度逐漸恢復(fù)；（3）大于4.7 GPa時(shí)，由于直接-間接帶隙轉(zhuǎn)變，熒光強(qiáng)度下降直至淬滅。該工作為近紅外波長(zhǎng)可調(diào)光學(xué)和光電器件提供了新的思路。第一作者為材料科學(xué)與工程學(xué)院2018級(jí)普博生趙麗云和2019級(jí)直博生梁印。此工作還得到了中科院半導(dǎo)體所張俊研究員和國(guó)家納米科學(xué)中心劉新風(fēng)研究員的幫助。

 

此系列工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。

來源：北京大學(xué)，激光行業(yè)觀察