Advanced Materials:基于黑磷纳米片的波长可调中红外激光器

近年来,范德华层状半导体材料因其独特的能带结构与光电性质,在探索基础物性与新型器件应用方面具有重要意义。其中,基于范德华层状半导体的纳米激光器由于其高集成度,低功耗以及优异性能吸引了研究人员的极大兴趣。目前,二维过渡金属硫族化合物纳米激光器已得到广泛研究,取得了从可见至近红外光谱的激光输出。进一步将激光波长推向中红外波段在气体分子探测,生物传感成像与空间量子通信等领域有着巨大的应用潜力。黑磷作为窄带隙层状半导体成为实现这些目标的理想选择。其层数依赖的直接带隙可覆盖从近红外到中红外的宽光谱范围;褶皱蜂窝型的晶体结构赋予了黑磷各向异性的激子光学与电学输运特性,为实现新型功能的光电器件提供了可能。迄今为止,关于黑磷的光学研究主要集中于少层结构的自发辐射复合。对其在光学微腔中的受激辐射研究将促进我们深入了解中红外波段的光与物质相互作用以及器件机理。

鉴于此,近期湖南大学潘安练教授团队和中科院上海技物所陆卫研究员团队合作报道了一种基于机械剥离高质量黑磷单晶纳米片与分布式布拉格反射腔(DBR)耦合的垂直腔面发射中红外激光器。研究人员首先通过变温荧光测量证明了黑磷在室温下的高效辐射复合。在此基础上,利用脉冲光泵浦激发成功观测到了3.6 μm波长的中红外激射峰以及伴随的超线性功率依赖关系。通过角度依赖的偏振探测揭示了由晶体各向异性导致的线偏振受激光辐射。同时,激光器件DBR微腔的封装保护使得黑磷纳米片避免了由外界环境造成的质量损坏,从而保证了器件良好的工作稳定性并使得激光输出可维持到360K高温。研究人员进一步通过控制黑磷厚度(层数)来改变微腔长度,实现了腔模3.4μm-4.0μm的大范围调谐。该工作展示了黑磷作为中红外增益介质所具有的优异光学性能,为实现面向硅基光电芯片集成的新型波长可调线偏振相干光源提供了新的途径与机遇。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201808319)上。