室温运转的基于单层二碲化钼纳米激光器

Monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs), as the thinnest optical gain materials, show great potential for making nanolasers with the smallest gain media with lowest energy consumption, which have significance for the optical sources of integrated optoelectronic chips. Right now, it has made a great progress in the nanolasers based on TMDs, while the reported TMDs based nanolasers have emission in the visible wavelengths at cryogenic temperature (10-130K). therefore, the more practical room-temperature TMDs based nanolasers in near-IR wavelengths become a big challenge..Based on the reported work, this project is planned to first study the mechanical exfoliation of monolayer molybdenum ditelluride (MoTe2) and its optical properties; then design the nanolaser structure based on monolayer Mote2 and high Q silicon photonic cystal nanobeam cavity; solve the key problems in the fabrication and measurement; finally realize the room-temperature operation of near-IR nanolaser based on monolayer MoTe2.

单层过渡金属硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides, TMDs)，作为最薄的光学增益介质，在实现超小体积、超低功耗纳米激光器方面显示出巨大的前景，这对解决光电子集成芯片中的光源问题具有重要意义。目前基于TMDs纳米激光器已取得较大进展，然而已报道的该类纳米激光器均仅能工作于可见光波段以及极低的温度下（10-130K），因此更实用的室温下近红外波段的基于TMDs纳米激光器在国际范围内成为一个重大挑战，有待突破。.本项目拟建立在目前研究成果的基础上，首先在材料层面研究单层二碲化钼（MoTe2）的制备和光学特性，以获得近红外波段稳定的发光材料；进而设计以单层MoTe2为有效增益介质、高Q值硅基纳米臂微腔为光学反馈机制的纳米激光器；突破此类纳米激光器微纳加工制备和测试中的关键技术；最终实现位于近红外波段可室温运转的基于单层MoTe2纳米激光器。

单层过渡金属硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides, TMDs)，作为最薄的光学增益介质，在实现超小体积、超低功耗纳米激光器方面显示出巨大的前景，这对解决光电子集成芯片中的光源问题具有重要意义。然而如何实现室温下近红外波段的基于TMDs纳米激光器在国际范围内成为一个重大挑战，有待突破。本项目所取得的重要结果包括：.1. 通过优化机械剥离工艺，实现了1400μm2大面积单层MoTe2的制备，相对于一般的机械剥离工艺制备的单层MoTe2提升了200倍。大面积单层MoTe2的制备是实现单层MoTe2光电子器件的重要前提，对于研究基于单层MoTe2光电子器件的研究和应用具有重要的意义。.2. 首次实现了室温激射的二维材料纳米激光器。2015年，美国加州大学伯克利分校张翔研究组实现了二维材料的低温（10K，液氦温度）运转。同一年， 华盛顿大学和斯坦福大学的研究组实现了二维材料的液氮温度（80-130K）以上的激光运转。在本项目中，我们首次实现了二维材料纳米激光的室温运转，证明了二维材料纳米激光的实际应用价值。.3. 首次实现了硅基的二维材料纳米激光器。2015年，加州大学伯克利分校，华盛顿大学和斯坦福大学的二维材料纳米激光分别利用单层WSe2和单层WS2实现了可见光波段的纳米激光。由于硅在可见光波段有巨大的吸收，因此单层WSe2和单层WS2无法与硅基衬底集成。室温下单层MoTe2的辐射位于近红外波段，能量低于硅带隙50meV，相应的吸收系数仅为1.5cm-1。在本项目中，我们使用单层MoTe2与硅纳米臂微腔集成实现了硅基的二维材料纳米激光，这对于硅基光电集成意义重大。.4. 实现了超级阈值的半导体纳米激光器，本课题中我们制备的纳米激光阈值仅为6.6W/cm2，这一数值远低于任何室温运转的半导体激光器。超低功耗的半导体纳米激光器对于未来片上光互连的应用具有重要意义。