Nat. Rev. Mater. 杨培东综述：半导体纳米线激光器

激光的发现及发展对科学和工业具有革命性的意义。如今，微型半导体激光器的出现使得这项技术走进人们的日常生活成为现实。近期，加州大学伯克利分校的杨培东教授团队在《自然综述•材料》上发表文章，总结了纳米线激光器研究的最新进展并且探讨了该项技术在未来的发展趋势。这篇综述的主要内容包括：介绍了纳米线激光器的基本原理和最新材料；探讨了新型腔体的设计和放大方法；最后还描述了电泵浦纳米线激光器在光电子领域的应用前景。

半导体纳米线激光器综述导览图

纳米线激光器基本概念

以20世纪初爱因斯坦在理论上证明了受激发射（stimulated emission）的存在为起点，到了今年（2016年）激光已经被人们认识和研究了整整一个世纪。在这一百年里，激光技术不断发展取得了很多令人振奋的研究和应用成果。图1整理了激光的历史，其中标为蓝色的部分是发展时间线中的里程碑性成果。这些成果不是极大地推动了激光的发展，就是已经在许多领域获得了广泛的应用。通过蓝色时间线我们可以看到，激光器的小型化也已走过数十个年头。在过去十年里，科学研究对开发纳米尺度激光器及其在光电子器件上的应用展示出了日益增长的兴趣。其中一个主要的研究方向就是半导体纳米线：一种可以同时充当光学增益介质和光学谐振腔的准一维半导体。

图1 关于激光发展历史的简要时间线

不管是1964年首次利用气-液-固生长机理“自下而上”地制备纳米线，还是2001年首次观察到纳米线激光作用，氧化锌纳米线都是微型激光器的先行材料。氧化锌纤维锌矿结构中的各向异性及其相关断面（facets）直接导致了纳米光学腔体的形成。目前的研究表明，这种光学腔体的激射峰间距（lasing peak spacing）与纳米线长度是线性关系，而这正是是FP谐振腔（Fabry–Pérot cavity）的特征行为。光经过增益介质（gain medium）以及纳米线端面的传回和反射，在FP谐振腔中造成光学反馈并实现光放大，当环行增益（round-trip gain）大于环行损失（round-trip losses）时，激光便产生了。图2展示了利用氧化锌纳米线阵列制造的首个纳米线激光腔体。

图2 氧化锌纳米线激光腔体：a-e）生长在蓝宝石基质上的氧化锌纳米阵列的扫描电子显微学图像；f）无非点缺陷单晶氧化锌纳米线的高分辨透射电子显微学图像

随着对单纳米线激光器（single-nanowire lasers）的研究逐渐成熟，建立纳米线激光的严格模型变得越来越重要。建模有助于定义激射阈值（lasing threshold），即能够产生激光的激发数目。在图3中，在不同的自发辐射因子β以及稳态条件下，通过计算速率方程（coupled rate equations）可以获得光子密度与泵浦强度的函数关系。当把实验数据和理论计算进行比较之后，我们可以定量地获得阈值条件。

图3 在不同β值条件下的GaN理论计算幂函数图像

纳米线激光器的半导体材料

与传统的“自上而下”的方法相比，“自下而上”地制备纳米线不仅在成本、质量等方面具有更大的优势，“自下而上”技术还能用于制备新型半导体材料。GaN纳米线激光器的发展就意味着不同于氧化锌纳米线的新型系统的诞生，此后不久，以GaN为核的核壳结构纳米线的提出，则引领了纳米线激光器异质结构的研究。自从这些新型体系被逐步提出，纳米激光器的发射波长更是从红光范围扩展到紫外和近红外区域。而实现这些发射波长的材料除了ZnO、GaN外，还包括InGaN、CdS、CdSe、CdSSe、GaAs、InGaAs、AlGaAs、ZnS、CdSe、GaSb以及InP。

纳米线激光器的波长选择

利用波长可调的纳米激光器，很多光电应用诸如检测、光电集成等都能被实现或增强性能。目前调控波长主要有两种方法，一种是利用不同的增益材料；另一种则是改变介电环境。然而后者目前来说限制颇多，所以一般研究都把关注点放在增益材料上。合金化是最常见的增益材料改性方式，通过改变合金内各元素的比例可以改变激光器发射波长范围。近来，无机-有机杂交材料如杂交钙钛矿通过在制备阶段加入有机铵盐可以对波长进行调控。

图4 纳米线激光器提供了广泛的波长选择范围：a, b）成分分级的CdS_xSe_1−x纳米线的光致发光光谱以及激光激发的光学图像；c, d）甲基铵卤化铅的光学和扫描电子显微图像；e）利用扫描电镜图像以及能量色散X射线谱表征的合金纳米线中的Pb, Br以及Cl的分布；f）通过调整纳米线激光器的元素成分可以实现将近300nm范围的波长调控

新型纳米线激光谐振腔结构

除了对材料进行化学调控外，物理操纵柔性纳米线能够产生新型的腔体结构。一系列的腔体结构已经被成功开发出来。首先是枝状氧化锌纳米线的出现。然后是利用弯曲的纳米线形成的环状共振器纳米线激光器，然而这种弯曲结构具有显而易见的机械不稳定性，在很长一段时间里依然是无法克服的难题。另外，为了实现单模式激光发射，解离耦合腔体（cleaved-coupled cavity）通过降低阈值条件来提高发射质量。

图5 解离耦合腔纳米线激光器：a）GaN解离纳米线激光器腔体扫描电子显微图像；b）有限元方法模拟不同带隙尺寸波导模式的透射和反射；c）单纳米线（绿色及蓝色）和耦合纳米线（红色）激射模式的光致发光光谱

表面等离子体激元激光器

目前，半导体纳米线激光器微型化的主要阻碍是衍射极限。然而以纳米线为平台，基于表面等离子激元（SPPs）我们可以创造一种新型的激光器。SPP波动是一种金属表面电子的集体振荡。相同能量的SPP波的波长要比光学波长短，这样就允许腔体收集和导向远低于衍射极限的光学能量，从而更有利于激光器的微型化。

图6 表面等离子体激元有助于激光器的微型化：a）在光学激发下，银基底上的CdS纳米线形成SPP激光谐振腔；b）光子激光器和等离子体激光器的纳米线直径与激射阈值的函数关系；c-f）等离子体（c和d）以及光子（e和f）纳米线激光器谐振腔的波导模式模拟；g）银纳米线和CdS纳米线耦合的扫描电子显微图像和光学图像；h）CdS纳米线激发导致激元相关的银纳米线断面发射

纳米线激光器的电学激发

光学激发虽然很适合用于基础研究，但是却不适合如片上集成光电系统（on-chip integrated photonics）等实际应用。因此，通过电泵浦的载流子激发是一种更可取的方法。然而，实现电泵浦纳米线激光器的主要挑战是如何在能够保证激光发射的前提下将激光器与电极进行整合。为了克服这个挑战，目前主要以下几种方法：光刻（lithography）是现有最有效的方法；此外还有通过直接在导电基底生长纳米线阵列并且引入二类接触（the second contact）的方法。不过，目前及未来还需要更具前景的研究方向来更好地发展电学激发的纳米线激光器。

图7 电泵浦纳米线激光器的制备与表征：a）InGaAs–InP金属激光谐振腔的横断面图解；b）发射强度和线宽（linewidth）与电流的函数关系显示出随着线宽的减少，发射强度会发生超线性的增加；c）圆柱形电泵浦腔体的偏振发射图像显示出方位发射极化；d）纳米线腔体直径与激光发射波长之间的线性依赖关系

总结与展望

过去十五年里，许多杰出的工作极大地推动了半导体纳米线激光器的发展。特别是在扩展材料、腔体结构以及实现对激射模式的控制和阈值条件的减少等方面均取得了巨大的进展。其中，波长可控、可溶液加工的钙钛矿纳米线激光器被认为是极具前景的新兴材料体系；而对等离子体激光器的性能提升和全面了解为超小型激光谐振腔的开发指引了方向；最后随着电泵浦纳米尺度激光器的发展，器件在光电电路上的集成是可以预见的。

尽管学界正在不断取得令人振奋的研究进展，在一些方向上仍旧存在着极具挑战困难：

首先，如何实现，特别是在单纳米线水平，程式化、可重复的激光器操作；

其次，还需要对纳米线激光器设备的能量效率、生命周期、可靠性以及可再生性在设备水平做更深入的系统性研究；

最后，对于纳米线及纳米线激光器的应用前景需要更加深入地、扩大范围地进行考证。

 文献链接：Semiconductor nanowire lasers（Nat. Rev. Mater., 2016, DOI: 10.1038/natrevmats.2016.28）（文献全文PDF已有网友上传至材料人论坛和材料人资源共享交流群 425218085）

本文由材料人纳米学习小组Shixiong Chern提供，材料牛编辑整理。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部。