清華大學(xué)電子系教授、“千人計(jì)劃”專家寧存政教授是國際上納米激光的開拓型領(lǐng)軍人物。該

團(tuán)隊(duì)專注開發(fā)納米激光器和具有高光學(xué)增益的光放大器新材料，近他們同時(shí)在這兩方面取得重大突破，并于7月17日在《自然》雜志的兩個(gè)子刊《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）和《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上發(fā)表了新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

小編有幸采訪到其中一篇論文（發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》的《基于單層二碲化鉬和硅納米臂腔的室溫連續(xù)模納米激光》）的主要作者——李永卓副研究員。通過李老師的介紹，我們了解到這項(xiàng)研究的突破性意義和國際影響力，也得知研究過程困難重重。接下來，就讓我們一起了解一下吧！

室溫連續(xù)模納米激光的研究意義和成果

納米激光是傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光和納米光電子學(xué)結(jié)合的新前沿。這項(xiàng)研究旨在探索激光器尺寸小型化的限，終為光電集成及其在未來計(jì)算機(jī)芯片上的應(yīng)用進(jìn)行前沿性探索。

《基于單層二碲化鉬和硅納米臂腔的室溫連續(xù)模納米激光》一文，詳細(xì)介紹了該團(tuán)隊(duì)研究人員在世界上實(shí)現(xiàn)二維材料納米激光的室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的相關(guān)情況。采訪中，李永卓老師也介紹說：“傳統(tǒng)的納米激光器，運(yùn)行條件非常苛刻，只能在低溫環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)。我們這項(xiàng)研究是采用二維材料制備出可室溫工作的納米激光器，對基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用都有重要意義?！?p>

納米激光器

關(guān)于這項(xiàng)研究的過程，李老師介紹說，他們利用厚度只有0.7納米的單層二碲化鉬（MoTe2）作為增益材料，以及一個(gè)寬度僅300多納米，厚度200多納米的硅納米臂腔作為激光器諧振腔。在上述二維材料中，電子和空穴的結(jié)合能非常高，可形成穩(wěn)定的激子態(tài)，因而具有較高的發(fā)光效率。

另一方面，硅基納米臂腔具有超高的光學(xué)品質(zhì)因子，同時(shí)二碲化鉬的激子輻射波長在硅材料內(nèi)幾乎沒有吸收（接近透明）。因而二維材料和硅基納米臂腔的“強(qiáng)-強(qiáng)”結(jié)合（如下圖所示），是將激光器運(yùn)轉(zhuǎn)溫度提升到室溫的重要原因。

基于單層二碲化鉬和硅納米臂腔的室溫連續(xù)模

納米激光示意圖

持之以恒，

突破兩大技術(shù)瓶頸

在器件的制備和表征過程中，該團(tuán)隊(duì)也遇到重重困難，尤其在項(xiàng)目攻堅(jiān)階段，用李老師的話形容，那真是“一頭包”。其中有兩個(gè)難點(diǎn)讓李老師他們印象深刻。

個(gè)難點(diǎn)是大面積單層MoTe2的制備和表征

單層MoTe2是納米激光器的增益介質(zhì)，高質(zhì)量大面積單層材料是實(shí)現(xiàn)器件制備的重要的環(huán)節(jié)。該團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化和改善機(jī)械剝離方法，終突破難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了35μm×40μm的大面積單層MoTe2材料。

然而在獲得大量MoTe2材料的同時(shí)，就要抓緊時(shí)間找到快速便捷的材料表征方法，以加速整個(gè)研究進(jìn)程。針對這一難點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)分別使用了HORIBA拉曼光譜儀和原子力顯微鏡對MoTe2的層數(shù)進(jìn)行表征和分析。他們欣喜的發(fā)現(xiàn)，拉曼光譜法是一種更簡單、快捷識別單層MoTe2的方法，高效高速地保證了他們的研究。

下圖是單層和雙層MoTe2的拉曼光譜，可以清晰的觀測到MoTe2中典型的聲子模式——A1g, E12g和 B2g，分別對應(yīng)out-of-plane, in-plane, 和 out-of-plane (Bulk-Raman inactive)模式。值得說明的是，在少層（few-layer）的MoTe2中由于平移對稱性的破壞，可以觀測到B2g模式。而單層MoTe2中則觀測不到B2g模式。因此，利用拉曼光譜儀準(zhǔn)確表征出B2g峰，是識別單層MoTe2的一種便捷而有效的方法。而通過拉曼測試方法高效而準(zhǔn)確的確定單層，為后續(xù)器件的制備打下了重要的基礎(chǔ)。在該研究中，拉曼表征選用的是高分辨率的HORIBA LabRAM HR Evolution拉曼光譜儀作為分析工具。

單層和雙層MoTe2的拉曼光譜

第二個(gè)難點(diǎn)是單層MoTe2的轉(zhuǎn)移和對準(zhǔn)

在實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員需要把單層MoTe2轉(zhuǎn)移至300多納米寬的納米臂微腔上面，并且在轉(zhuǎn)移過程中不能破壞單層材料。為了解決這個(gè)難題，研究者利用顯微鏡和高精度位移臺，搭建了一套用于對準(zhǔn)及轉(zhuǎn)移單層材料的裝置，終于保證了單層MoTe2材料可以精準(zhǔn)的蓋在納米臂微腔上面，并且誤差在微米量級。

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其實(shí)，這項(xiàng)研究的困難和要求還遠(yuǎn)不止這些，采訪中小編還了解到這項(xiàng)研究要求非常精密，對環(huán)境要求也非?？量獭Ｋ麄兊膶?shí)驗(yàn)室是在地下一層的潔凈間，實(shí)驗(yàn)過程中要避光。研究時(shí)只能用手機(jī)照明，并要在近乎黑暗的環(huán)境連續(xù)工作數(shù)個(gè)小時(shí)。

耐住寂寞，篤定堅(jiān)守，不畏困難，精耕細(xì)作，正是這種科研精神，李老師他們才取得了如此卓越的研究成果。在這里，向清華大學(xué)電子系寧存政教授團(tuán)隊(duì)表示祝賀！
團(tuán)隊(duì)介紹

具有國際影響力的納米激光技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)

清華大學(xué)電子系“千人計(jì)劃”專家寧存政教授長期研究半導(dǎo)體發(fā)光物理、納米光子學(xué)、器件端微型化制作及表征，曾在世界上制成尺寸小于半波長的電注入納米激光器，并實(shí)現(xiàn)了電注入金屬腔納米激光器的室溫連續(xù)模運(yùn)轉(zhuǎn)，是納米激光技術(shù)領(lǐng)域的開拓型領(lǐng)軍人物。

圖片引自清華大學(xué)新聞網(wǎng)

《基于單層二碲化鉬和硅納米臂腔的室溫連續(xù)模納米激光》是清華大學(xué)與美國亞利桑那州立大學(xué)合作的結(jié)果，主要工作在國內(nèi)完成。研究成果得到了清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目（20141081296）和中組部千人計(jì)劃的支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] Yongzhuo Li,???????? Jianxing Zhang,??????? Dandan Huang,??????? Hao Sun,? Fan Fan,?? Jiabin Feng,????? Zhen Wang & C. Z. Ning, “Room-temperature continuous-wave lasing from monolayer molybdenum ditelluride integrated with a silicon nanobeam cavity”. Nature Nanotechnology (2017) doi:10.1038/nnano.2017.128

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