黑磷 × 光子晶体：原子级薄片的“近红外之光”被首次捕获

搁浅

黑磷 × 光子晶体：原子级薄片的“近红外之光”被首次捕获( DOI: 10.1063/1.4984597)

当二维材料遇见二维光子晶体，会擦出怎样的火花？东京大学荒川洋一团队在《Appl. Phys. Lett.》发表的最新工作给出了答案：他们利用干法转移技术，将仅两层厚的黑磷（BP）精准贴附在GaAs光子晶体纳米腔上，首次实现了室温、近红外波段（1074 nm）的腔模耦合发光，品质因子达260。这不仅为二维材料纳米激光器奠定实验基石，也为硅光集成、片上光谱学打开了新的“原子层”光源方案。
一、为什么选择黑磷？

• 直接带隙：从单层≈800 nm到四层≈1600 nm连续可调，覆盖整个光通信O波段；
• 高发光效率：即使多层仍保持明亮荧光，不受“间接带隙”困扰；
• 线性偏振：扶手椅方向天然择优发射，利于片上偏振控制。
  

二、干法转移——“氮气手套箱+PDMS印章”

• 机械剥离：在<10⁻³ Pa真空腔中反复撕揭，抑制BP表面氧化；
• 光学寻片：倾斜白光下依据颜色/对比度锁定双层区，PL确认1075 nm峰；
• 微定位转移：0.45 NA物镜+XYZ压电平台，将亚微米薄片精准压印到PhC缺陷正上方；
• 剥离验证：PDMS缓慢撕离，SEM显示BP完整覆盖三孔缺陷，边缘微裂但缺陷区完好。
  

三、光子晶体腔设计

• 结构：三角晶格空气孔（r=79 nm，a=310 nm）（130 nm厚GaAs桥式）；
• 缺陷：三孔缺失+孔位微调+双周期出耦合栅，理论Q≈7000，Vₘ≈0.82(λ/n)³；
• 场分布：FDTD计算表面倏逝场强度达最大值70%，确保与原子层高效重叠。
  

四、实验结果一览

• 室温μ-PL：785 nm cw激发，50 μW泵浦功率下同时观测到：
  – 宽峰：BP本征发光（~1100 nm，FWHM≈80 nm）；
  – 锐峰：腔模耦合发光（1074 nm，FWHM≈4 nm，Q≈260）。
• 空间定位：沿腔长方向（X）强度分布半高宽≈6 μm，垂直方向（Y）≈3 μm，与缺陷模场吻合；
• 偏振特性：检偏器旋转显示腔模与BP发光均呈线偏，但主轴夹角≈60°，证明耦合后偏振由腔主导；
• 转移前后对比：同一BP区在PDMS上积分强度为100，转移至裸GaAs后降至40，证实低损耗转移。
  

五、为什么还没激光？
团队在更高Q（>5×10⁴）腔、低温10 K、皮秒脉冲920 nm激发等条件下均未观测到激光振荡。可能原因：

• 增益不足：原子层厚度受限，单位面积增益长度<100 nm；
• 自由载流子吸收：高密度注入下GaAs腔内载流子吸收损耗增大，Q骤降；
• 失配损耗：BP撕裂边缘与缺陷模场不完全重合，额外散射降低有效Q。
  

六、展望

• 材料工程：多层BP或应变BP量子阱，提高模式增益；
• 腔工程：采用绝缘体上III-V或SiN高Q平台，抑制自由载流子吸收；
• 电注入：集成石墨烯栅压调控，实现电泵浦原子层激光器；
• 片上阵列：利用BP层数依赖的发光波长，构建多通道O-E-O转换芯片。
  

结语
黑磷与二维光子晶体的“第一次拥抱”已证实：原子级厚度仍能高效耦合到亚立方波长腔模。随着转移工艺、增益机制与腔设计的持续优化，基于BP的片上近红外激光器、放大器和量子光源将不再遥远，为硅光集成、超快光谱与量子通信增添一抹“磷”光。