近期，華南師范大學信息光電子科技學院蘭勝教授課題組與中山大學物理學院的李俊韜教授、電子信息技術學院的佘俊聰教授合作，在單晶硅納米白光光源的研究中取得突破性進展，研究成果以“Highly efficient nonlinear optical emission from a subwavelength crystalline silicon cuboid mediated by supercavity mode”為題發表在Nature Communications上（影響因子：14.919）。該校博士研究生潘麥銘成和向進為共同第一作者，蘭勝教授和李俊韜教授為共同通訊作者，華南師范大學為第一完成單位。

 

隨著摩爾定律逐漸接近極限，硅基光電集成技術已經成為未來半導體技術發展的重要方向。然而，由于受到間接帶隙能帶的限制，硅發光需要依靠聲子輔助復合，體硅材料的量子效率僅有10-7，無法作為有源器件應用在硅光芯片中，成為制約硅基光電集成技術發展的瓶頸。目前，單晶硅基光源的研究主要存在四條技術路線：1）硅的非線性效應，例如受激布里淵散射和受激拉曼散射等；2）量子限制效應，例如多孔硅、硅量子點等；3）能帶工程，利用鍺硅合金調控硅的帶隙；4）利用光學共振模式增強光與物質的相互作用。

 

近年來，蘭勝教授課題組選擇了利用光學模式增強光與物質相互作用為主要技術路線，對飛秒激光與硅基微納結構的相互作用進行了持續和系統的研究。他們利用各種光學共振模式，向單晶硅微納結構高效注入載流子，從而大幅提升熒光量子效率。從2018年首次利用磁偶級共振點亮硅納米顆粒開始 [Nat. Commun. 9, 2964 (2018)]，到2021年利用鏡像磁偶極共振和表面晶格共振，結合本征載流子激發，實現了硅納米顆粒的熒光爆亮現象[Nano Lett. 21, 2397−2405 (2021)]，量子效率從~1.2%提升至6~8%。

 

盡管米氏共振、表面晶格共振等獨立的共振模式能夠提供強大的場局域效應，從而實現大注入載流子。然而，這些共振模式存在輻射損耗較大的缺陷，削弱了光與物質的相互作用，進而限制了光學非線性效率。幸運的是，量子力學中連續域中的束縛態（Bound states in the continuum，BIC）原理的提出，為解決米氏共振輻射損耗較大的問題提供了機遇。BIC是一種獨特的光學模式，主要特征是能夠在亞波長結構中支持具有極高品質因子（quality factor）的超級腔模（supercavity mode）。這些光學模式可以應用于新一代超薄、多用途光學元件，基于非線性效應增強的低閾值激光器，以及實現亞波長共振模式強耦合的原理性驗證。

 

蘭勝教授課題組與中大的李俊韜教授和佘俊聰教授合作，將BIC原理應用于零維納米結構中，他們提出在一個有限長度的硅納米方塊中，也可以實現多種模式的強耦合，利用模式干涉，獲得具有高品質因子的超級腔模。在具體樣品設計中，考慮到在實際使用時需要使用飛秒激光激發超級腔模，于是更多考慮多光子熒光的吸收系數與飛秒激光脈沖的頻域匹配。不僅如此，為了減少樣品刻蝕產生的缺陷，他們對硅納米方塊表面進行了鈍化處理，顯著降低了非輻射損耗，最終將發光量子效率進一步提升了~13%，獲得了高效的納米級白光光源。更為重要的是，硅納米方塊的制備方法與現代硅基芯片工藝完全兼容，有望為未來光子芯片納米白光光源甚至激光光源的制備和集成提供科學依據和技術支撐，同時也為操控間接帶隙半導體納米材料的發光開辟了新視野。

 

上述研究得到了國家和廣東省自然科學基金的支持。

 

 

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30503-4