自2015年美國華盛頓大學徐曉東教授課題組報道了第一個基于二維TMDC材料的微納激光器，在低溫下實現(xiàn)了激光發(fā)射，從此拉開了二維材料激光器研究的序幕。他們將單層WSe2轉移到在磷化鎵材料上制備的光子晶體微腔上(圖1(a))，通過移除光子晶體上3個相鄰的小孔形成線性缺陷腔，也被稱為L3光子晶體缺陷微腔。激光的發(fā)射主要通過“L-L"曲線中的明顯扭結和線寬變窄來識別(圖1(b))。

　　之后，人們對于二維層狀材料激光器進行了大量的研究。美國加州大學張翔教授課題組將單層WS2 (帶隙約2 eV) 嵌在氮化硅(Si3N4)微盤諧振腔和氫倍半硅氧烷(HSQ)薄膜中間(圖1(c))，在低溫下實現(xiàn)了激子型激光。HSQ薄膜既能增強微腔的腔模式與增益介質中激光模式的重疊程度，又能避免材料暴露在空氣中而被降解。與直接將單層材料放置在腔體上構成的器件相比，這種封裝方法還把該結構的光學限制因子提高了約30%。該激光器量子產(chǎn)率高，面積小且功耗低。

　　圖1 低溫下實現(xiàn)了激子激光器。(a) WSe2/光子晶體復合結構的示意圖;(b)激子激光器的光譜性質;(c) WS2/微盤復合結構的示意圖

　　同年，加拿大麥吉爾大學Salehzadeh等人在室溫下實現(xiàn)了二維層狀材料激光器(圖2(a))，他們將機械剝離得到的四層MoS2嵌入在SiO2微盤和獨立的微球之間來構建激光器件。這種的腔結構可以提高品質因子，顯著增強MoS2與光腔模之間的耦合程度，最終在室溫下實現(xiàn)了連續(xù)光泵浦的超低閾值激射，圖2(b)、2(c)是對應的激子激光光譜。這是二維層狀材料激光器進入實際應用的第一步，是TMDC半導體激光器實現(xiàn)室溫應用的里程碑。

　　之后，在2017年，新加坡南洋理工大學于霆教授課題組將單層WS2放置在DBR微腔中構筑了垂直腔面發(fā)射器(VCSEL)，在室溫下使用532 nm的連續(xù)光泵浦,實現(xiàn)了低閾值的激光發(fā)射(圖2(d))。

　　上述研究都是在可見光區(qū)實現(xiàn)了二維材料的激子發(fā)射。然而，在可見光波長范圍內(nèi)的應用難以實現(xiàn)，如果可以在近紅外波段內(nèi)實現(xiàn)激射，就可以與硅基集成技術聯(lián)系起來，應用于片上光互連和光電集成領域。

　　2017年，清華大學寧存政教授課題組將單層MoTe2轉移到一維硅基光子晶體上(圖2(e))，展示了單層TMDC半導體材料在紅外光譜范圍內(nèi)的室溫激光發(fā)射，表明在室溫下可能制造出具有最小增益介質體積和器件尺寸的激光器，實現(xiàn)高效能的片上光互聯(lián)。

　　圖2 室溫下實現(xiàn)了激子激光器。(a) MoS2/微球-微盤復合結構的示意圖;(b)-(c)激子激光器的光譜性質;(d) WS2/DBR復合結構的示意圖;(e) MoTe2/光子晶體復合結構的示意圖

　　2018年，中山大學王雪華教授課題組將多層MoTe2作為增益材料放在L3型硅光子晶體納米腔中，實現(xiàn)了類激光的發(fā)射。隨后，在2019年，王雪華教授課題組將單層MoTe2夾在兩層氮化硼(BN)之間制得了三明治結構的異質結，此結構保護了層狀材料免受空氣和水分的影響，然后將其放置到單模共振腔上，在室溫下實現(xiàn)了激光發(fā)射。

　　在上述文獻中，基于二維TMDC的激光器使用的單層TMDC材料均是通過機械剝離方法獲得，重復性和可控性存在一定挑戰(zhàn)。為了解決這一問題，北京大學張青教授課題組將CVD法生長的高質量、大面積的單層MoS2用作激光器的增益材料，將表面光滑的SiO2微球放在CVD法生長的單層MoS2薄膜上(圖3(a))，在較大的溫度范圍內(nèi)(77 K- 400 K)實現(xiàn)了激光發(fā)射(圖3(b)-(c))。

　　圖3 高溫下實現(xiàn)了激子激光器。(a) MoS2 /微球復合結構的示意圖; (b)-(c)激子激光器的光譜性質

　　2、層間激子激光器

　　在先前的研究中，主要是TMDC材料的激子激光發(fā)射，大部分出射光位于可見光波段，而異質結的構建為帶隙調節(jié)提供了更多方式。異質結中層間激子其輻射位置處于紅外波段，可以與硅光子學的技術兼容。層間激子相對較長的壽命也降低了激光出射對于微腔品質因子的要求。

　　2019年，新加坡南洋理工大學高煒博教授課題組第一次報道了室溫下基于MoS2/WSe2異質結的室溫層間激子激光器。圖4(a)所示為激光器的三維結構示意圖，將MoS2/WSe2異質結放在垂直耦合的光子晶體腔上，實現(xiàn)了在紅外波段的激光發(fā)射，能夠與硅光子技術相兼容，為納米光子學的應用提供了更多的可能。

　　隨后，美國密歇根大學的鄧慧教授課題組也通過將WSe2/MoSe2異質結放在集成的氮化硅(SiN)光柵諧振器中實現(xiàn)了層間激子激光(圖4(b))。圖(c)-(e)是層間激子激光的光譜性質，利用邁克爾遜干涉儀來研究了層間激子激光的空間相干性，排除了超線性相關性以外的其他可能原因，如局域激子等，證實了空間相干性激光的形成。

　　圖4 層間激子激光器。(a) WSe2/MoSe2異質結/光子晶體復合結構的示意圖;(b) WSe2/MoSe2異質結/光柵-腔激光系統(tǒng)的示意圖;(c)-(e)層間激子激光器的光譜性質

　　總結與展望

　　從目前的研究結果來看，TMDC激光器已經(jīng)能在室溫條件下實現(xiàn)，主要包括光致激子發(fā)光和層間激子發(fā)光，波長覆蓋了可見區(qū)和紅外區(qū)域，能與硅基光子學相兼容，為納米光子學在片上光互連和光電集成等發(fā)面的應用邁出了堅實的一步。

　　但是還存在許多挑戰(zhàn)，目前所有的TMDC激光器都是光泵浦的，這限制了它的實際應用。因此，如何實現(xiàn)電泵浦下的激光產(chǎn)生還需進一步的探索。未來在電泵浦TMDC激光器以及基于TMDC材料的極化聲子激光器方面均有很大的發(fā)展空間，值得深入探索與研究。

     參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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