北京大学材料科学与工程学院张青课题组近红外激光研究取得新进展

近年来，二维层状半导体由于其无悬挂键表面、原子级薄的结构、丰富的激子类型和能谷特性以及强空间限制等优异的化学和物理特性，已成为发展片上激光源和放大器非常有前途的增益材料。利用二维层状半导体作为增益材料的激光源，具有超小体积、低阈值和易于发射的优点。然而，这些激光源制备工艺较为复杂且工作波段主要在红光区域，极大限制了其商业应用。层状半导体InSe，当其厚度大于6 nm时转变为直接带隙半导体，可以同时用作增益介质和光学腔，并且不需要外部光学腔，可以进一步与自上而下的光刻工艺兼容。因此InSe用于发展相干光子源具有独特的吸引力。此外，InSe展现出超塑性变形能力，通过施加外部压力来改变InSe的晶格结构、原子间距和层间距离，可以进一步调控InSe的电子带隙，有望发展超宽谱多色光源。

基于以上研究背景，北京大学材料科学与工程学院张青课题组研究了InSe室温近红外激射行为，揭示了激子-激子散射诱导的增益机制，探究了静水压调控近红外区荧光激射性质。相关研究成果发表在ACS Nano.2022, 16, 1477-1485，题为“Room-temperatureNear-infrared Excitonic Lasing from Mechanically Exfoliated InSe Microflake”，和Nano Letters.2022, 22, 3840-3847，题为“Engineering Near-Infrared Light Emission in Mechanically Exfoliated InSe Platelets through Hydrostatic Pressure for Multicolor Microlasing”，第一单位均为北京大学材料科学与工程学院。

（a）机械剥离InSe薄片的激射光谱。插图分别为InSe薄片光学图像和激子-激子散射示意图；（b）InSe纳米片发光的焦平面成像（强度归一化），白色虚线对应强度曲线显示面外激子发光占比达97%。

利用机械剥离的InSe微米薄片，张青课题组首先展示了室温近红外微纳激光，其净光学增益达到1029 cm 1（ACS Nano.2022, 16, 1477-1485）。基于温度、功率依赖荧光光谱，发现激子-激子散射是InSe微纳激光的增益来源。此外，他们结合激光直写技术加工出InSe微盘腔，激光阈值下降超过60%。以上结果为未来开发低功耗的片上近红外激光源提供了新的思路。该工作第一作者为材料科学与工程学院2021级普博生李淳。该工作还得到了北京大学高宇南研究员、武汉大学曹强研究员、中科院半导体所魏钟鸣研究员和张俊研究员的帮助。

（a）静水压调控机械剥离二维InSe薄片发光示意图;（b）PL光谱随压力变化的2D彩色图像。

进一步，张青课题组与中科院半导体所魏钟鸣研究员和西南大学汪敏副教授课题组合作，利用金刚石对顶砧对InSe自发辐射和荧光激射实现了宽谱静水压调控，两者的调控范围可达185nm和111nm（Nano Letters.2022. 22, 3840-3847）。基于第一性原理计算，揭示了InSe的压致波长蓝移主要来自于面内In-Se键的压缩。此外，InSe在静水压作用下的自发辐射强度演变可分为三个阶段：（1）小于1.3 GPa时，荧光强度由于压力诱导晶格畸变而降低；（2）1.3-4.7GPa时，激子结合能增加，荧光强度逐渐恢复；（3）大于4.7 GPa时，由于直接-间接带隙转变，荧光强度下降直至淬灭。该工作为近红外波长可调光学和光电器件提供了新的思路。第一作者为材料科学与工程学院2018级普博生赵丽云和2019级直博生梁印。此工作还得到了中科院半导体所张俊研究员和国家纳米科学中心刘新风研究员的帮助。

此系列工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金等项目的经费支持。

来源：北京大学，激光行业观察