清华大学Nat. Nanotech.：基于单层MoTe2的纳米激光器，首次实现室温下连续波激射！

【引言】

过渡金属二硫化物（TMDs）具有许多优异的电学和光学特性从而在未来片上光电集成上有着潜在的应用前景，近年来对该材料的研究也越来越多。其中最重要的特性之一便是当TMDs的厚度减至单层时，将由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体。另一重要的特性便是单层TMDs的激子结合能很大，远远超过室温下的热能，这为室温下强激子跃迁或激子极化激光器的发展提供可能。因此，单层TMDs具有成为用于低能耗纳米激光器的有效光学增益材料的潜力。然而，到目前为止，TMD基激光只有在较低的温度下才能实现。

【成果简介】

清华大学宁存政教授（通讯作者）等人近期在Nature Nanotechnology上发表“Room-temperature continuous-wave lasing from monolayer molybdenum ditelluride integrated with a silicon nanobeam cavity”的研究论文，首次报道了利用硅光子晶体谐振腔和单层二碲化钼结合，在红外区产生室温激光。这主要源于单层MoTe₂ 发射波长对硅透明和硅纳米梁高Q空腔的特性相结合。连续波激射的激光具有6.6 W cm^-2的低阈值功率密度。线宽最窄时只有0.202 nm，相应的Q值为5603，是目前关于TMD激光器所报道的最大值。表明在对硅透明的波长范围内，MoTe2是集成TMD-硅纳米激光器十分适用的材料，可广泛用于硅基纳米光子学领域。

【图文导读】

图一、单层MoTe₂和硅光子晶体纳米梁腔

(a) PMMA上块体（绿色区域）和单层MoTe₂的光学图像。

(b) MoTe₂的晶体结构。

(c) 器件图示（硅光子晶体纳米梁激光器结构悬浮在空气中，单层MoTe₂在顶端）。

(d) 所制备的具有单层MoTe₂（图中黄色虚线区域）的纳米梁激光器（图中有三个纳米梁空腔，只有底端的被单层MoTe₂覆盖）。

(e) 硅纳米梁腔SEM图，尺度为7.2 μm长0.365 μm宽0.22 μm厚。

图二、光子晶体纳米梁腔设计及光学模块

(a) 纳米梁腔的图示。

(b-d) 前三个模块在xy平面上的电场分布。

(e) 室温泵浦功率下、激光阈值以上纳米激光器的光致发光谱。

图三、室温发射激光

(a) 室温下，利用150 g/mm的光栅，随着泵浦功率的增加纳米梁激光器的PL光谱，光谱分辨率0.41 nm。

(b) 前两个模块和自发发射背底的光输入输出的对数图形。

图四、室温下激光的表征

(a) 光栅600 g/mm，随着泵浦功率的增加纳米梁激光器的PL光谱，光谱分辨率0.09 nm。

(b) 不同泵浦功下适配的PL光谱。实心方块为测量数据。线为洛伦兹形。

(c) 光输入输出的对数图形，实心方块为实验数据，实线为不同自发发射因子β计算的速率方程结果。β=0.1时与结果最对应。

(d) 线宽（黑色）与谐振波长（蓝色）-泵浦功率图，箭头指向各自坐标。

【小结】

本文首次报道了在室温下实现基于单层二维材料半导体纳米激光器的运行。实现半导体激光器的室温运转具有里程碑式的重要意义，将为商业应用迈出重要的一步。同时，单层TMDs使具有最小增益介质的小型光电子集成成为可能。该结果的另一重要意义在于硅基发光器件的研究。如何将纳米尺度上的激光集成在硅基上是一个尚未解决的问题，是目前国际上研究的热点之一。而该文验证的将超薄的二维材料与硅的集成，可能是一个新的思路。另外，这项研究表明在室温下激元发射激光的可能，但仍需进一步研究。而本文提出的MoTe₂-纳米梁腔结构的激光器需要在很多方面继续进行，如电注入2D TMD基激光器，谷-自旋-极化激光器或腔-TMD单层耦合物理学等。

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

本文由材料人学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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