二維激子激光器的實現(xiàn)向下一代超緊湊光子和光電子器件邁出了重要一步，美國能源部的勞倫斯伯克利國家實驗室的科學(xué)家將單層二硫化鎢嵌入到特殊的微型磁盤諧振器中實現(xiàn)了可見光波段的明亮激子激射。
伯克利實驗室材料科學(xué)系主任Xiang Zhang說：“我們從二硫化鎢的單分子層觀察到了高品質(zhì)的激子激射，標志著向用于高性能光通信和計算機的二維光電芯片邁出了重要一步”。研究成果發(fā)表在《Nature Photonics》上。
當今納米技術(shù)世界研究最熱門的材料是二維過渡金屬二硫化物(TMDCs)，這些二維半導(dǎo)體具有卓越的能效而且電子傳導(dǎo)速度比硅快，而且與石墨烯不同的是TMDCs具有自然帶隙使其電導(dǎo)可以在“開或關(guān)”之間切換，比石墨烯更適合制造設(shè)備。雖然單分子層二硫化鎢廣泛被認為是最有前途的TMDCs光子與光電子應(yīng)用材料，但是直到如今都沒有實現(xiàn)相干光輻射或激光，更不用提芯片應(yīng)用。
TMDCs在光與物質(zhì)相互作用上顯示出非凡的激子特性，如果材料薄到單層這種特性能引起電子能帶結(jié)構(gòu)的量子限制和晶體對稱作用。然而，對于二維激射，微腔的設(shè)計和制造提供了高光學(xué)模式限制因子和高品質(zhì)Q值。
在先前的研究中，Zhang和他的研究小組已經(jīng)開發(fā)出了“回音壁微腔”的等離子體，電磁波橫跨金屬表面滾動。基于背向耳語原理（在一個空間輕聲口語，而后在圓頂天花板下方在腔室的相對側(cè)可以清楚地聽到）這個微小尺寸的等離子體金屬腔大大加強和提高了光發(fā)射的Q因子。在這項新研究中，Zhang和他的團隊的微腔技術(shù)將等離子體改為激子，在單層分子內(nèi)使光激發(fā)單層電子/空穴對。
“我們的激子激光器，放棄了金屬涂層，設(shè)計了支持電介質(zhì)回音壁模式而不是電漿模式的微盤諧振器，具有低損耗高Q因子，”共同第一作者Ye介紹，“當單層二硫化鎢作為增益介質(zhì)夾在兩層電介質(zhì)之間時，我們創(chuàng)造了潛在的超低閾值激射。”除了光子和光電應(yīng)用以外，2D激子激光技術(shù)還有潛力應(yīng)用于valleytronic，就是電子的自旋和動量通過晶格作為波的能量峰值和峰谷來移動從而實現(xiàn)數(shù)字信息編碼。Valleytronic被視為量子計算自旋電子學(xué)的替代技術(shù)。
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