二维过渡金属硫族化合物嵌入的微谐振腔的光学特性研究及应用

The emerging two-dimensional (2D) semiconductors are the very promising building blocks for the next-generation semiconductor industry and technology. In this project, we are targeting to the investigation of the 2D transition metal dichalcogenide (TMD) embedded microcavity, where the fundamental optical properties of exciton polaritons and exciton polariton lasers will be explored and developed, respectively. First, high-quality 2D TMD embedded microcavities will be fabricated. The direct-bandgap 2D semiconductors such as monolayer WS2 and MoTe2 will be employed as the gain media. The microcavity is made of two distributed Brag reflectors, ultrashort cavity together with the inserted monolayer semiconductor. Second, the optical properties of 2D TMD embedded microcavities will be investigated. By design of microcavity structures and selection of gain media, the emission properties of exciton polaritons formed by the coupling of excitons with cavity photons will be studied, especially the new condensed matter physics of the exciton polariton lasing. Third, we will further develop the room-temperature low-threshold exciton polariton lasers and their arrays for the promising on-chip photonic applications in the information fields of optical communication, optical interconnect and supercomputing.

新兴的二维半导体材料非常有希望成为新一代半导体工业技术的基础。本项目主要是围绕着以二维过渡金属硫族化合物为增益介质的微谐振腔为研究对象，探索激子极化激元的基础光学特性和制备激子极化激元激光器。首先是制备高质量的二维过渡金属硫族化合物嵌入的微谐振腔结构。主要采用的二维过渡金属硫族化合物是单层直接带隙半导体如单层WS2、MoTe2等。微垂直谐振腔主要是由上下两个分布布拉格反射镜和嵌入二维过渡金属硫族化合物的超短腔构成。其次是研究二维过渡金属硫族化合物嵌入的微谐振腔的光学特性及机理。通过谐振腔和增益材料的设计和选择，进而研究和控制激子发光峰和腔模耦合效应，特别是激子极化激元的光学特性和临近极化激元激射附近的新凝聚态物理特性。第三，在器件制备方面，开发室温下低阈值的基于这些二维过渡金属硫族化合物的激子极化激元激光器及其阵列，以期用于未来芯片基光通讯、光互连和光计算等重要光子信息技术领域。

二维半导体材料与器件非常有希望成为新一代半导体工业技术的基础。本项目主要是围绕着以二维过渡金属硫族化合物为发光介质的微谐振腔为研究对象，系统地探索了二维过渡金属硫族化合物及其耦合结构的基础光学特性并成功制备了片上的光发射器件。首先，获得了高质量的二维过渡金属硫族化合物嵌入的微谐振腔结构。主要采用的二维过渡金属硫族化合物是单层直接带隙半导体二硫化钨和二硫化钼。逐步制备了高质量二维过渡金属硫族化合物、介质膜分布布拉格反射镜、二维过渡金属硫族化合物耦合的半腔和全腔结构。其次，研究二维过渡金属硫族化合物及其耦合微谐振腔结构的光学特性并澄清了物理机理。通过调整激子与布拉格光子相互作用，成功观测到了布拉格激子极化激元的形成；分辨了二维半导体在不同介电环境中强与弱的激子与光子相互作用，观测到了强耦合引起的微腔激子极化激元。第三，在器件制备方面，研制成了两类先进的二维过渡金属硫族化合物微腔耦合光发射器件并获得了激子发射阵列。一方面，先获得了一种横模可控的二维半导体微腔光发射器，然后通过优化微谐振腔设计与制备工艺，成功开发了白光驱动的二维半导体微谐振腔共振发射器。另一方面，基于大面积二维过渡金属硫族化合物成功制备了激子发射阵列结构。总之，该项目研究的二维过渡金属硫族化合物及其微腔耦合器件在新型光源器件、片上光互连和光计算等光子信息技术领域有重要的应用前景。