Nat. Rev. Mater. 楊培東綜述：半導體納米線激光器

激光的發現及發展對科學和工業具有革命性的意義。如今，微型半導體激光器的出現使得這項技術走進人們的日常生活成為現實。近期，加州大學伯克利分校的楊培東教授團隊在《自然綜述?材料》上發表文章，總結了納米線激光器研究的最新進展并且探討了該項技術在未來的發展趨勢。這篇綜述的主要內容包括：介紹了納米線激光器的基本原理和最新材料；探討了新型腔體的設計和放大方法；最后還描述了電泵浦納米線激光器在光電子領域的應用前景。

半導體納米線激光器綜述導覽圖

納米線激光器基本概念

以20世紀初愛因斯坦在理論上證明了受激發射（stimulated emission）的存在為起點，到了今年（2016年）激光已經被人們認識和研究了整整一個世紀。在這一百年里，激光技術不斷發展取得了很多令人振奮的研究和應用成果。圖1整理了激光的歷史，其中標為藍色的部分是發展時間線中的里程碑性成果。這些成果不是極大地推動了激光的發展，就是已經在許多領域獲得了廣泛的應用。通過藍色時間線我們可以看到，激光器的小型化也已走過數十個年頭。在過去十年里，科學研究對開發納米尺度激光器及其在光電子器件上的應用展示出了日益增長的興趣。其中一個主要的研究方向就是半導體納米線：一種可以同時充當光學增益介質和光學諧振腔的準一維半導體。

圖1 關于激光發展歷史的簡要時間線

不管是1964年首次利用氣-液-固生長機理“自下而上”地制備納米線，還是2001年首次觀察到納米線激光作用，氧化鋅納米線都是微型激光器的先行材料。氧化鋅纖維鋅礦結構中的各向異性及其相關斷面（facets）直接導致了納米光學腔體的形成。目前的研究表明，這種光學腔體的激射峰間距（lasing peak spacing）與納米線長度是線性關系，而這正是是FP諧振腔（Fabry–Pérot cavity）的特征行為。光經過增益介質（gain medium）以及納米線端面的傳回和反射，在FP諧振腔中造成光學反饋并實現光放大，當環行增益（round-trip gain）大于環行損失（round-trip losses）時，激光便產生了。圖2展示了利用氧化鋅納米線陣列制造的首個納米線激光腔體。

圖2 氧化鋅納米線激光腔體：a-e）生長在藍寶石基質上的氧化鋅納米陣列的掃描電子顯微學圖像；f）無非點缺陷單晶氧化鋅納米線的高分辨透射電子顯微學圖像

隨著對單納米線激光器（single-nanowire lasers）的研究逐漸成熟，建立納米線激光的嚴格模型變得越來越重要。建模有助于定義激射閾值（lasing threshold），即能夠產生激光的激發數目。在圖3中，在不同的自發輻射因子β以及穩態條件下，通過計算速率方程（coupled rate equations）可以獲得光子密度與泵浦強度的函數關系。當把實驗數據和理論計算進行比較之后，我們可以定量地獲得閾值條件。

圖3 在不同β值條件下的GaN理論計算冪函數圖像

納米線激光器的半導體材料

與傳統的“自上而下”的方法相比，“自下而上”地制備納米線不僅在成本、質量等方面具有更大的優勢，“自下而上”技術還能用于制備新型半導體材料。GaN納米線激光器的發展就意味著不同于氧化鋅納米線的新型系統的誕生，此后不久，以GaN為核的核殼結構納米線的提出，則引領了納米線激光器異質結構的研究。自從這些新型體系被逐步提出，納米激光器的發射波長更是從紅光范圍擴展到紫外和近紅外區域。而實現這些發射波長的材料除了ZnO、GaN外，還包括InGaN、CdS、CdSe、CdSSe、GaAs、InGaAs、AlGaAs、ZnS、CdSe、GaSb以及InP。

納米線激光器的波長選擇

利用波長可調的納米激光器，很多光電應用諸如檢測、光電集成等都能被實現或增強性能。目前調控波長主要有兩種方法，一種是利用不同的增益材料；另一種則是改變介電環境。然而后者目前來說限制頗多，所以一般研究都把關注點放在增益材料上。合金化是最常見的增益材料改性方式，通過改變合金內各元素的比例可以改變激光器發射波長范圍。近來，無機-有機雜交材料如雜交鈣鈦礦通過在制備階段加入有機銨鹽可以對波長進行調控。

圖4 納米線激光器提供了廣泛的波長選擇范圍：a, b）成分分級的CdS_xSe_1?x納米線的光致發光光譜以及激光激發的光學圖像；c, d）甲基銨鹵化鉛的光學和掃描電子顯微圖像；e）利用掃描電鏡圖像以及能量色散X射線譜表征的合金納米線中的Pb, Br以及Cl的分布；f）通過調整納米線激光器的元素成分可以實現將近300nm范圍的波長調控

新型納米線激光諧振腔結構

除了對材料進行化學調控外，物理操縱柔性納米線能夠產生新型的腔體結構。一系列的腔體結構已經被成功開發出來。首先是枝狀氧化鋅納米線的出現。然后是利用彎曲的納米線形成的環狀共振器納米線激光器，然而這種彎曲結構具有顯而易見的機械不穩定性，在很長一段時間里依然是無法克服的難題。另外，為了實現單模式激光發射，解離耦合腔體（cleaved-coupled cavity）通過降低閾值條件來提高發射質量。

圖5 解離耦合腔納米線激光器：a）GaN解離納米線激光器腔體掃描電子顯微圖像；b）有限元方法模擬不同帶隙尺寸波導模式的透射和反射；c）單納米線（綠色及藍色）和耦合納米線（紅色）激射模式的光致發光光譜

表面等離子體激元激光器

目前，半導體納米線激光器微型化的主要阻礙是衍射極限。然而以納米線為平臺，基于表面等離子激元（SPPs）我們可以創造一種新型的激光器。SPP波動是一種金屬表面電子的集體振蕩。相同能量的SPP波的波長要比光學波長短，這樣就允許腔體收集和導向遠低于衍射極限的光學能量，從而更有利于激光器的微型化。

圖6 表面等離子體激元有助于激光器的微型化：a）在光學激發下，銀基底上的CdS納米線形成SPP激光諧振腔；b）光子激光器和等離子體激光器的納米線直徑與激射閾值的函數關系；c-f）等離子體（c和d）以及光子（e和f）納米線激光器諧振腔的波導模式模擬；g）銀納米線和CdS納米線耦合的掃描電子顯微圖像和光學圖像；h）CdS納米線激發導致激元相關的銀納米線斷面發射

納米線激光器的電學激發

光學激發雖然很適合用于基礎研究，但是卻不適合如片上集成光電系統（on-chip integrated photonics）等實際應用。因此，通過電泵浦的載流子激發是一種更可取的方法。然而，實現電泵浦納米線激光器的主要挑戰是如何在能夠保證激光發射的前提下將激光器與電極進行整合。為了克服這個挑戰，目前主要以下幾種方法：光刻（lithography）是現有最有效的方法；此外還有通過直接在導電基底生長納米線陣列并且引入二類接觸（the second contact）的方法。不過，目前及未來還需要更具前景的研究方向來更好地發展電學激發的納米線激光器。

圖7 電泵浦納米線激光器的制備與表征：a）InGaAs–InP金屬激光諧振腔的橫斷面圖解；b）發射強度和線寬（linewidth）與電流的函數關系顯示出隨著線寬的減少，發射強度會發生超線性的增加；c）圓柱形電泵浦腔體的偏振發射圖像顯示出方位發射極化；d）納米線腔體直徑與激光發射波長之間的線性依賴關系

總結與展望

過去十五年里，許多杰出的工作極大地推動了半導體納米線激光器的發展。特別是在擴展材料、腔體結構以及實現對激射模式的控制和閾值條件的減少等方面均取得了巨大的進展。其中，波長可控、可溶液加工的鈣鈦礦納米線激光器被認為是極具前景的新興材料體系；而對等離子體激光器的性能提升和全面了解為超小型激光諧振腔的開發指引了方向；最后隨著電泵浦納米尺度激光器的發展，器件在光電電路上的集成是可以預見的。

盡管學界正在不斷取得令人振奮的研究進展，在一些方向上仍舊存在著極具挑戰困難：

首先，如何實現，特別是在單納米線水平，程式化、可重復的激光器操作；

其次，還需要對納米線激光器設備的能量效率、生命周期、可靠性以及可再生性在設備水平做更深入的系統性研究；

最后，對于納米線及納米線激光器的應用前景需要更加深入地、擴大范圍地進行考證。

?文獻鏈接：Semiconductor nanowire lasers（Nat. Rev. Mater., 2016, DOI: 10.1038/natrevmats.2016.28）（文獻全文PDF已有網友上傳至材料人論壇和材料人資源共享交流群 425218085）

本文由材料人納米學習小組Shixiong Chern提供，材料牛編輯整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。