一年狂发11篇Nature，这个材料的新风口来了？

奇物论

2019-12-06

得益于原子层超薄二维材料的制备、堆叠方法的不断发展，二维材料范德华异质结为量子材料打开了新的大门。通过不同层状材料的组成和堆叠方向的调控，或者外部电场的变化，可以实现各种新奇的物理性质，譬如高温超导等等。

2019年上半年，范德华异质结相关研究成果已经在Nature发表10篇文章。其中，2月25日一天发表了3篇，7月17日一天发表了2篇。最近，在这10篇Nature之后，11月又发表1篇Nature，都是关于二维范德华异质结相关领域。

半导体激光器具有器件紧凑，波长范围大，电泵浦效率高，电调制速度快等优点，在当今的各类技术中应用十分广泛。半导体激光器主要基于传统的III-V族半导体量子阱。为进一步降低功耗，减小尺寸，并更好地与Si集成，大量研究工作致力于开发新型增益材料和结构，例如纳米线激光器，等离子体激光器，以及光子晶体激光器。然而，可调谐性、电泵浦以及异质集成方面依旧存在不足。

最近，单层过渡金属硫族化合物晶体（TMDCs）由于具有原子级厚度和强激子发射，逐渐成为一类新型的半导体激光器材料。3D半导体因晶格失配在基底选择方面十分有限，而2D的TMDCs则因不具有悬挂键，能直接与不同基底组合。

前人的研究采取了两个指标来评估单层TMDCs产生激光的过程：泵浦功率变化时，线宽以及非线性强度依赖性的变化。然而，在相关研究中，光子通量疑似低于激发阈值。空间相干性——激光器的重要特征之一，则未被研究。因此，很难确定局域激子（诸如点缺陷）不是非线性依赖性现象的源头。此外，对于单层物质作为增益材料的情况，可调谐性存在局限，其本身（不与其他掺杂半导体接触）也不能成为垂直p-n结。

相比之下，异质结打开了调控能带结构和激子态的大门。目前异质结中的空间非直接激子已被广泛研究，其具有可电调谐的长程相互作用静态偶极子。然而，空间非直接激子的振荡强度较低，限制了其进一步应用。

近日，密歇根大学安娜堡分校物理系Hui Deng课题组发现，通过将2D WSe₂–MoSe₂异质结置于SiN光栅腔上，层间激子成为有效的增益媒质，使得在较低粒子数反转密度下就能形成扩展空间相干性激光发射。

图1. 双层异质结/光栅腔激光系统的示意图。

如图1b所示，通过在相距1 nm以内的两个异质单层之间形成直接带隙，层间激子维持了足够大的振荡强度。II型能带排列则使异质结形成了三能级系统，通过层内激子共振及随后的电子快速转移至低能级的空导带（图1c），电泵浦能高效进行。因此，粒子数反转很容易在减小的带隙处实现，同时能避免载流子在层内的快速辐射损失。此外，与单层材料激子激光器使用的某些谐振腔相比，该装置所用谐振腔完整覆盖了异质结，使整个异质结区域存在增益，并支撑了扩展空间相干性。由此，实验中成功观测到了激光的产生，伴随着空间相干长度的陡增。随着泵浦功率增加，发射强度先是在穿过激发阈值时非线性地增加了100多倍，随后持续地线性增加。

图2. 双层异质结和光栅腔的性质。

图3. 层间激子激光器的光谱性质。

图4. 层间激子激光器的一阶相干。

总之，该研究开创性地将工程化TMDC异质结中的层间激子作为高效的激光激发媒质。与单层TMDC中的激子相比，该异质结激子具有可电调谐的长程偶极相互作用和振荡强度，强健的谷极化，以及适合于电注入的II型能带排列。

作者同时指出了该研究可进一步探索的方向：

1. 由于莫尔超晶格普遍存在于异质结中，未来可进一步探究莫尔超晶格在异质结激光器中所起的作用。

2. 可通过封装h-BN，提高谐振腔品质因子Q，降低谐振腔模式的横向限域效应，来降低增益媒质的非均匀宽化，进一步提升异质结激光器的品质。

3. 可使用其他范德华材料构建异质结激光器，实现不同波长。

4. 利用谐振腔的横向旋转不变性，可实现谷极化的层间激子激光器。

5. 电调谐振荡强度可能实现对激光的快速调制，双层p-n异质结可施加电注入。

6. 可采用绝热电调谐探究相干非直接激子气体。

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参考文献：

Paik, E.Y., Zhang, L.,Burg, G.W. et al. Interlayer exciton laser of extended spatial coherence inatomically thin heterostructures. Nature (2019) doi:10.1038/s41586-019-1779-x

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1779-x

附：2019年的前10篇Nature