2D激光发射器，两片微盘谐振器介电层之间加一层硫化钨单分子层形成三明治结构，有望作为超低阈值激光。 

       下一代超紧凑光子和光电器件的重要一步是实现2D激子激光。美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室研究人员在特殊的微盘谐振器中插入硫化物单分子层，实现了可见光波长的高亮激子激光。

       “硫化钨单分子层的高质量激子激光标志着适用于高性能光通信和计算应用的2D芯片式光电器件。”伯克利实验室材料科学部主任、该项目主管Xiang Zhang这样说。

       相关结果发表于《自然·光子》（Nature Photonics）上，论文通讯作者Zhang同时还是加州大学伯克利分校的Ernest S. Kuh Endowed主席、伯克利Kavli能源纳米科学研究所成员。论文第一作者为Zhang课题组的Zi Jing Wong，其他作者还有Xiufang Lu, Xingjie Ni, Hanyu Zhu, Xianhui Chen和Yuan Wang。

       当前，纳米技术领域讨论最多的一类材料就是2D过渡金属硫化物（TMDCs）。这些2D半导体通常具有卓越的能源效率和比硅快得多的电子传导速度。此外，不同于石墨烯（另一种高度吹捧的2D半导体），TMDCs具有自然带隙，使其导电性可以切换“开和关”，这意味着比石墨烯更适合做成器件。硫化钨单分子层被广泛认为是适合光子和光电应用的最有前途的TMDCs之一。然而，到目前为止，相干光发射，或者说激光，被认为是“芯片式”应用的必备，在这种材料中还没有实现。

       Zhang说，“TMDCs已经显示出了强的光-物质相互作用，得益于其非凡的激子性质。当材料薄至单分子层时，就出现了电子带结构的量子局域效应及晶体对称性效应。然而，对于2D激光，提供高光模式的限制因素和高质量（Q因子）的微腔设计和制备是必需的。”

       先前的研究当中，Zhang及其研究团队已经开发出了一种适用于穿过金属表面的等离子体、电磁波的“回音壁微腔”。基于回音壁的原理——在圆顶天花板上小声说话，在对面可以清楚的听得到——等离子体微尺寸金属腔大大增强了光发射的Q因子。这项新研究当中，Zhang等人利用单层分子能够将这种微腔技术应用于等离子体及激子（即光生电子/空穴对）。

       论文共同第一作者Ye说，“对于我们的激子激光，我们做了金属涂层，并设计支持介电回音壁模式（而非等离子体模式）的微盘谐振器，为我们提供低功耗的高Q因子。硫化钨单分子层作为增益介质，嵌入到量个谐振器介电层之间，有望制成超低阈值激光器。”

       除了光子和光电应用之外，这种2D激子激光技术还有望用于valleytronic，其中数字信息利用电子的自旋和动量（电子以具有波峰和波谷的波形式穿过晶格）来编码。Valleytronics被看作是量子计算自旋电子学的替代。

       该论文作者之一Wong说，“TMDCs，如硫化钨，提供独特的访问来自由度的自旋和波谷。载流子两个明显不同波谷中的选择性激励能够进一步诱导密闭谷中的激光，为简单调谐偏振激光铺平了道路。园偏振相干光源的需求很高，从三维显示到自旋电子学中的有效自旋源，以及量子计算中的信息载体。” 

来自：新材料在线