2022年9月22日下午，量子科学与工程研究院党总支在国际量子研究院518报告厅举办了第二十九期卓粤量子沙龙活动，本次沙龙邀请了深圳技术大学的宁存政教授为研究院师生带来了主题为“二维半导体中的新物理及光电器件应用”的报告。

宁存政教授长期从事纳米光电子材料和器件的研究，在半导体合金纳米线的生长和广电应用方面做出过系统性的重要工作，特别是纳米激光的研究。因在实验上首次实现等离子激元激光器、单体白光激光的发明，以及实现第一个基于二维材料激光的室温运转等工作获得多项国际奖项，现为IEEE会士、美国光学学会会士、美国发明家科学院成员。本次沙龙的主持人为国际量子研究院俞大鹏老师和刘骏秋老师。

通过bottom-up和top-down两个研究方法，宁教授首先介绍了其在纳米光电子方面多年的研究工作。

1. Bottom-up方法

（1）在1 cm长的纳米线上，一端生长一个宽带的半导体，另外一端生长窄带的半导体，从左到右改变核心组分，实现500到700nm空间连续可调光输出。继续通过光泵浦，进而可以实现空间每一点激光输出；

（2）在上述工作基础上，将一个纳米薄膜分割三个颜色的区域，同时泵浦三个区域可以合成出任何可见光颜色的激光，甚至是“白光激光”；

（3）生长一个高掺杂浓度的掺铒材料，实现一百多dB的激光增益，为片上放大器、片上光源、量子应用提供了思路。

2. Top-down方法

（1）等离子激元技术，即在传统III-V半导体中，通过电子注入实现亚衍射极限尺寸下的激光器；（2）解决二维材料里面激子谷寿命很短的问题，通过对超快过程仔细完整的理解，发现如果把激子系统性、可控地转化成三子，谷寿命可以从皮秒延长到纳秒；

（3）用电来控制DBR腔内的强耦合和激射，实现三子激射；

（4）在没有电子注入的情况下，单纯使用电场产生激子，做到多色电致荧光，使二维材料可以应用于薄膜显示；

（5）在二维材料中率先证明双异质结的制备。

宁教授着重介绍了二维材料的特性以及几个近期的重要工作：

1. 二维材料的特性

二维材料器件的薄膜特性，使其体积和功耗可以做的很小；二维材料的直接带隙使器件的发光效率特别；激子结合能比普通半导体高1到2个量级，可能具有新的激光增益机制，在比较低的密度下实现光学增益；可以形成任意异质结，任意能隙的空间分布，可以人为实现载流子限制或者载流子注入，这是普通半导体无法做到的；单层二维材料有利于集成化，没有悬挂件，没有基片适配问题。

2. 四子现象

半导体材料里面普遍存在电子和空穴，可以形成激子、三子、双激子、三激子等，那二维材料里面有没有新的配对可能性？一般情况下，在大范围密度分布下（如104到1014次方），当粒子密度达到某个特定值时会发生Mott相变，从激子绝缘气体变成电子和等离子体的导体。在普通半导体里面，如GaAs，激子结合能非常小，无法看到相变过程细节。而在二维材料中，激子结合能高出两个量级，可以看清相变过程的细节。在如此大的密度范围内，可能存在如BEC、EHP、EHL等丰富的物理体系，值得深入研究。

利用简单二维单层MoTe2材料，激子的发射在硅的吸收能量下面几十毫电子伏特，即对硅透明。通过调控栅压与光子能量的关系，可以研究材料的不同特性。在-12V的中性区只有激子，在超快的泵浦探测技术下可以发现新的现象。一般的泵浦探测实验，从晶体基态进行探测，可以看到不同激子态以致电离态。如果先进行泵浦，产生各种激子态和电离态后再进行探测（此时具有激发态的吸收，如两体态到四体态的吸收），则吸收谱里面含有很多四体信息。插值能谱是泵浦探测标准的实验方法，即有泵浦光的情况下会产生激子红移，或者叫做能隙重整化，如果减去无泵浦下的激子能量，可以看到激子差具有反对称特性，反映了激子能量的平移。但是如果系统里面存在激子以外的新粒子，差值能谱将会具有不同于反对称的新特征。

实验上可以看到很多新特征差值能谱，对应不同时间延迟下的泵浦探测，可以看到激子能量以下具有6个特征谱峰，这是以往任何二维材料所没有发现的现象。实验上也查看了不同低温下和泵浦功率下的特征谱峰，发现温度越低特征谱越明显，在4K以下可以清晰地分辨出特征峰，泵浦功率越高，特征谱越明显，这是激发态的吸收特征，是一种两体态到四体态的吸收特征。实验上观察到这个现象后，宁教授开始在物理图像上进行理解。通过绘制可能的多体相互作用模型，如考虑两个谷上各有一个电子和空穴，这四个粒子可以形成多样的相互作用组合，其中包括不可约的四体集团。分析了物理图像后，在理论上进行计算。如果只考虑三体，理论上只能算出来激子与三体的谱峰。如果增加到四体系统，并考虑四体集团展开，可以发现理论计算出与实验相符的特征谱。四子问题在凝聚态和量子系统中也有相应研究，如四个费米子形成玻色子的可能性，四子量子点比双激子量子点更稳定，但是更多的是理论预言。

3. 寻找低密度的二维材料获得光学增益

一般情况下，当粒子密度增加到Mott相变以上时，会产生光学增益，所以当前的半导体激光器的密度要求很高。那么在二维材料的低密度区域是否存在光学增益呢？过去几十年对此问题的研究很少，因为普通半导体的激子结合能太小了。在二维材料中，通过测量有无样品的反射谱，调节栅压观察激子和三子的相对比例变化带来的物理现象，发现在10 V栅压下激子的发光比三子的发光要弱的多，即系统处于三子发光的状态，三子占据数非常高。在测量增益时，发现随着泵浦能量的增加，激子的能量没什么变化，但是在激子能量以下的地方出现增益。该处的粒子密度只有107，这对应极低密度下的增益，而且和三子相关。

4. 纳米激光器件

前面提到过MoTe2材料对于Si吸收是透明的，可以完全采用基于SOI工艺进行加工制造，最后只需要将二维材料直接覆盖在硅结构上即可。以此实现的单层纳米激光器，其模式体积、增益介质体积、器件总体积都做的很小。

最后宁教授讲了激光在BN中如何可控地、大规模地加工制备单光子光源。即利用单脉冲飞秒激光制备缺陷，在低脉冲能量下没有热效应和热损伤，量子点气泡的加工精度可以达到138 nm，高度在6 nm，二阶关联函数达到0.1，但制备效率比较低。为了增加单光子源的制备效率，增加脉冲光能量，此时会产生机械损伤，但二阶关联函数达到0.06，单光子亮度达到7.15 Mcps，制备效率达到42.9%。

在随后的自由提问环节，在场的老师与学生们对于二维材料中的四子现象产生了浓厚的兴趣，提出了很多有意思的问题，宁老师一一作了仔细的讲解并与师生进行了有益的讨论。此外，宁老师也对其他问题，如激光定义、激光集成等，做了详细解答与讨论。


撰稿：孙威