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莫特相变前二维材料中新的光学增益机制

2020-05-14

半导体中激子以及与其相关的各种复合体之间的相互转化过程不仅是凝聚态物理的核心问题,也是半导体发光器件的物理基础。传统半导体需经历莫特相变后处于电子-空穴等离子体态才能提供光学增益,通常载流子密度须达到1012-1013/cm2,因而需要极高外界泵浦注入,是造成半导体激光高阈值的主要原因之一,严重限制了其在未来低功耗集成中的应用。因此,探索极低泵浦条件下的增益机制成为高能效光电子器件领域研究的焦点。近年来,二维半导体材料凭借其独特的光电学特性引起了各个领域的广泛关注,特别是室温下巨大的激子结合能比传统半导体高100倍,因而对系统研究莫特相变及相关的光学增益提供了前所未有的契机。

清华大学宁存政教授的研究团队通过在栅压调控的二维材料中系统地研究材料中激子和相关复合体的基础物理问题,在极低泵浦功率密度下首次证实了一种新型光学增益机制的存在,其增益阈值比传统半导体材料(如GaAs、InP)低5个数量级,并解释了这一光学增益本质上来源于三子--- 一种由激子和额外的电子或空穴组成的准粒子。这一新型增益机制的发现为基于二维材料的低功耗光电子器件---如片上光放大器和纳米激光器奠定了重要的物理基础。这一研究在硅基集成方面也具有重要意义,硅基光源的实现一直是硅基光子学领域研究的热门,二维材料与硅的异质集成进而实现纳米激光器,为这一问题提供了可能的解决方案。

栅压调控二维材料中的三子光学增益示意图

相关成果于2020年3月10日以“Excitonic Complexes and Optical Gain in Two-Dimensional Molybdenum Ditelluride Well below the Mott Transition”为题在线发表在Light: Science & Applications上。清华大学孙皓副研究员和博士生王震为论文共同第一作者,宁存政教授为通讯作者。

(来源: 《半导体学报》微信公众号

 

 



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