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HORIBA前沿用户报道 | 清华大学电子系宁存政教授团队同日在《自然》子刊发表两篇重要论文！
导 语
清华大学电子系教授、“千人计划”专家宁存政教授是国际上纳米激光的开拓型领军人物。该团队专注开发纳米激光器和具有高光学增益的光放大器新材料，近他们同时在这两方面取得重大突破，并于7月17日在《自然》杂志的两个子刊《自然·光子学》（Nature Photonics）和《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上发表了新的实验结果。
小编有幸采访到其中一篇论文（发表于《自然·纳米技术》的《基于单层二碲化钼和硅纳米臂腔的室温连续模纳米激光》）的主要作者——李永卓副研究员。通过李老师的介绍，我们了解到这项研究的突破性意义和国际影响力，也得知研究过程困难重重。接下来，就让我们一起了解一下吧！
室温连续模纳米激光的研究意义和成果
纳米激光是传统半导体激光和纳米光电子学结合的新前沿。这项研究旨在探索激光器尺寸小型化的极限，终为光电集成及其在未来计算机芯片上的应用进行前沿性探索。
《基于单层二碲化钼和硅纳米臂腔的室温连续模纳米激光》一文，详细介绍了该团队研究人员在世界上首次实现二维材料纳米激光的室温运转的相关情况。采访中，李永卓老师也介绍说：“传统的纳米激光器，运行条件非常苛刻，只能在低温环境下运转。我们这项研究是首次采用二维材料制备出可室温工作的纳米激光器，对基础研究和实际应用都有重要意义。”
纳米激光器
关于这项研究的过程，李老师介绍说，他们利用厚度只有0.7纳米的单层二碲化钼（MoTe2）作为增益材料，以及一个宽度仅300多纳米，厚度200多纳米的硅纳米臂腔作为激光器谐振腔。在上述二维材料中，电子和空穴的结合能非常高，可形成稳定的激子态，因而具有较高的发光效率。
另一方面，硅基纳米臂腔具有超高的光学品质因子，同时二碲化钼的激子辐射波长在硅材料内几乎没有吸收（接近透明）。因而二维材料和硅基纳米臂腔的“强-强”结合（如下图所示），是将激光器运转温度提升到室温的重要原因。
基于单层二碲化钼和硅纳米臂腔的室温连续模
纳米激光示意图
持之以恒，
突破两大技术瓶颈
在器件的制备和表征过程中，该团队也遇到重重困难，尤其在项目攻坚阶段，用李老师的话形容，那真是“一头包”。其中有两个难点让李老师他们印象深刻。
个难点是大面积单层MoTe2的制备和表征
单层MoTe2是纳米激光器的增益介质，高质量大面积单层材料是实现器件制备的重要的环节。该团队通过优化和改善机械剥离方法，终突破难点，实现了35μm×40μm的大面积单层MoTe2材料。
然而在获得大量MoTe2材料的同时，就要抓紧时间找到快速便捷的材料表征方法，以加速整个研究进程。针对这一难点，该团队分别使用了HORIBA拉曼光谱仪和原子力显微镜对MoTe2的层数进行表征和分析。他们欣喜的发现，拉曼光谱法是一种更简单、快捷识别单层MoTe2的方法，高效高速地保证了他们的研究。
下图是单层和双层MoTe2的拉曼光谱，可以清晰的观测到MoTe2中典型的声子模式——A1g, E12g和 B2g，分别对应out-of-plane, in-plane, 和 out-of-plane (Bulk-Raman inactive)模式。值得说明的是，在少层（few-layer）的MoTe2中由于平移对称性的破坏，可以观测到B2g模式。而单层MoTe2中则观测不到B2g模式。因此，利用拉曼光谱仪准确表征出B2g峰，是识别单层MoTe2的一种便捷而有效的方法。而通过拉曼测试方法高效而准确的确定单层，为后续器件的制备打下了重要的基础。在该研究中，拉曼表征选用的是高分辨率的HORIBA LabRAM HR Evolution拉曼光谱仪作为分析工具。
单层和双层MoTe2的拉曼光谱
第二个难点是单层MoTe2的转移和对准
在实验过程中，研究人员需要把单层MoTe2转移至300多纳米宽的纳米臂微腔上面，并且在转移过程中不能破坏单层材料。为了解决这个难题，研究者利用显微镜和高精度位移台，搭建了一套用于对准及转移单层材料的装置，终于保证了单层MoTe2材料可以精准的盖在纳米臂微腔上面，并且误差在微米量级。
其实，这项研究的困难和要求还远不止这些，采访中小编还了解到这项研究要求非常精密，对环境要求也非常苛刻。他们的实验室是在地下一层的洁净间，实验过程中要避光。研究时只能用手机照明，并要在近乎黑暗的环境连续工作数个小时。
耐住寂寞，笃定坚守，不畏困难，精耕细作，正是这种科研精神，李老师他们才取得了如此卓越的研究成果。在这里，向清华大学电子系宁存政教授团队表示祝贺！
清华大学电子系“千人计划”专家宁存政教授长期研究半导体发光物理、纳米光子学、器件极端微型化制作及表征，曾在世界上首次制成尺寸小于半波长的电注入纳米激光器，并首次实现了电注入金属腔纳米激光器的室温连续模运转，是纳米激光技术领域的开拓型领军人物。
图片引自清华大学新闻网
http://news.tsinghua.edu.cn/
《基于单层二碲化钼和硅纳米臂腔的室温连续模纳米激光》是清华大学与美国亚利桑那州立大学合作的结果，主要工作在国内完成。研究成果得到了清华大学自主科研项目（20141081296）和中组部千人计划的支持。
参考文献：
[1] Yongzhuo Li, Jianxing Zhang, Dandan Huang, Hao Sun, Fan Fan, Jiabin Feng, Zhen Wang & C. Z. Ning, “Room-temperature continuous-wave lasing from monolayer molybdenum ditelluride integrated with a silicon nanobeam cavity”. Nature Nanotechnology (2017) doi:10.1038/nnano.2017.128
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