清華大學Nat. Nanotech.：基于單層MoTe2的納米激光器，首次實現室溫下連續波激射！

【引言】

過渡金屬二硫化物（TMDs）具有許多優異的電學和光學特性從而在未來片上光電集成上有著潛在的應用前景，近年來對該材料的研究也越來越多。其中最重要的特性之一便是當TMDs的厚度減至單層時，將由間接帶隙半導體轉變為直接帶隙半導體。另一重要的特性便是單層TMDs的激子結合能很大，遠遠超過室溫下的熱能，這為室溫下強激子躍遷或激子極化激光器的發展提供可能。因此，單層TMDs具有成為用于低能耗納米激光器的有效光學增益材料的潛力。然而，到目前為止，TMD基激光只有在較低的溫度下才能實現。

【成果簡介】

清華大學寧存政教授（通訊作者）等人近期在Nature Nanotechnology上發表“Room-temperature continuous-wave lasing from monolayer molybdenum ditelluride integrated with a silicon nanobeam cavity”的研究論文，首次報道了利用硅光子晶體諧振腔和單層二碲化鉬結合，在紅外區產生室溫激光。這主要源于單層MoTe₂ 發射波長對硅透明和硅納米梁高Q空腔的特性相結合。連續波激射的激光具有6.6 W cm^-2的低閾值功率密度。線寬最窄時只有0.202 nm，相應的Q值為5603，是目前關于TMD激光器所報道的最大值。表明在對硅透明的波長范圍內，MoTe2是集成TMD-硅納米激光器十分適用的材料，可廣泛用于硅基納米光子學領域。

【圖文導讀】

圖一、單層MoTe₂和硅光子晶體納米梁腔

(a) PMMA上塊體（綠色區域）和單層MoTe₂的光學圖像。

(b) MoTe₂的晶體結構。

(c) 器件圖示（硅光子晶體納米梁激光器結構懸浮在空氣中，單層MoTe₂在頂端）。

(d) 所制備的具有單層MoTe₂（圖中黃色虛線區域）的納米梁激光器（圖中有三個納米梁空腔，只有底端的被單層MoTe₂覆蓋）。

(e) 硅納米梁腔SEM圖，尺度為7.2 μm長0.365 μm寬0.22 μm厚。

圖二、光子晶體納米梁腔設計及光學模塊

(a) 納米梁腔的圖示。

(b-d) 前三個模塊在xy平面上的電場分布。

(e) 室溫泵浦功率下、激光閾值以上納米激光器的光致發光譜。

圖三、室溫發射激光

(a) 室溫下，利用150 g/mm的光柵，隨著泵浦功率的增加納米梁激光器的PL光譜，光譜分辨率0.41 nm。

(b) 前兩個模塊和自發發射背底的光輸入輸出的對數圖形。

圖四、室溫下激光的表征

(a) 光柵600 g/mm，隨著泵浦功率的增加納米梁激光器的PL光譜，光譜分辨率0.09 nm。

(b) 不同泵浦功下適配的PL光譜。實心方塊為測量數據。線為洛倫茲形。

(c) 光輸入輸出的對數圖形，實心方塊為實驗數據，實線為不同自發發射因子β計算的速率方程結果。β=0.1時與結果最對應。

(d) 線寬（黑色）與諧振波長（藍色）-泵浦功率圖，箭頭指向各自坐標。

【小結】

本文首次報道了在室溫下實現基于單層二維材料半導體納米激光器的運行。實現半導體激光器的室溫運轉具有里程碑式的重要意義，將為商業應用邁出重要的一步。同時，單層TMDs使具有最小增益介質的小型光電子集成成為可能。該結果的另一重要意義在于硅基發光器件的研究。如何將納米尺度上的激光集成在硅基上是一個尚未解決的問題，是目前國際上研究的熱點之一。而該文驗證的將超薄的二維材料與硅的集成，可能是一個新的思路。另外，這項研究表明在室溫下激元發射激光的可能，但仍需進一步研究。而本文提出的MoTe₂-納米梁腔結構的激光器需要在很多方面繼續進行，如電注入2D TMD基激光器，谷-自旋-極化激光器或腔-TMD單層耦合物理學等。

文獻鏈接：Room-temperature continuous-wave lasing from monolayer molybdenum ditelluride integrated with a silicon nanobeam cavity（Nat. Nanotech.，2017，DOI: 10.1038/NNANO.2017.128）

本文由材料人學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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