传统材料的新机遇:GaAs基纳米线的光学性质及其激射

中国科学杂志社  |   2020-04-26 14:40

来源:中国科学杂志社

GaAs作为第二代半导体材料,因其直接带隙的性质及较高的电子迁移率,被广泛应用于发光、探测及光伏器件等领域。低维GaAs基材料在光电集成器件中展现出极大的潜力,尤其是其一维纳米线结构,可同时作为增益介质和波导,在半导体激光应用中具有天然优势。但是,相比于工作在紫外和可见波段的纳米线激光器,近红外波段的GaAs基纳米线激光器的实现相对比较困难。在过去的几十年中,GaAs基纳米线研究领域发展迅速。GaAs基纳米线的生长机制得到了广泛的研究,通过精确地控制生长条件可以得到高质量的GaAs基纳米线,材料光学性质的研究也取得了较大进展,许多提升及调控其光学性质的方法得到应用,GaAs基纳米线的室温激射得以实现。得益于外延技术的发展,涌现出许多新颖的纳米线量子阱结构,并且可以通过对GaAs基纳米线参数的控制实现对其激射性质的精确调控。

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GaAs基纳米线激光器示例南方科技大学电子与电气工程系陈锐教授的科研团队在SCIENCE CHINA Materials发表题为“Optical property and lasing of GaAs-based nanowires”的综述文章,着重介绍了GaAs基纳米线的最新进展,特别是GaAs基纳米线的光学性质和激射特性材料维度的降低常伴随着异于体材料的性质。例如,GaAs基纳米线中往往会出现稳态的ZB(闪锌矿)结构和亚稳态的WZ(纤锌矿)结构同时存在的混相结构。如何得到纯相的GaAs基纳米线是其进一步发展面临的一大难题。该文简单回顾了近年来GaAs基纳米线的合成制备及其发展过程。从纳米线的生长机制出发,综述了纳米线晶相控制的相关工作。尺寸降低同时带来了更大的比表面积,使GaAs基材料的表面态问题更加显著。文章详细讨论了GaAs基纳米线的多种特殊的光学性质,并从减少非辐射复合和增强发光两方面讨论了GaAs基纳米线光学性质的提升方法。得益于纳米线的一维结构,GaAs基纳米线可以形成天然的Fabry-Pérot腔,这为实现GaAs基纳米线的激射创造了条件。该文对GaAs基纳米线激射特性进行了梳理,讨论了GaAs基纳米线激射的多种实现方式及影响因素。外延技术的发展及纳米线生长机理的明确使复杂结构GaAs基纳米线的生长成为了可能。在GaAs基纳米线中存在沿轴向和径向构建的两种不同量子阱结构,文章分别对此进行了讨论,并且对GaAs基纳米线光学增益、激射波长等性质的调控方式进行了介绍。最后对GaAs基纳米线激光器的未来发展提出了见解与展望。

作者简介



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陈锐

南方科技大学电子与电气工程系教授,中组部第十批“千人计划”(青年项目)和深圳市海外高层次人才“孔雀计划”(B类)入选者。主要研究领域包括激光光谱与材料光学特性研究。近年来,围绕纳米材料表面开展光学改性,巧妙利用多种表面修饰技术,调控低维纳米材料的能带结构和载流子特性,在高性能光电子材料和器件的设计与应用方面展开研究。迄今为止,已发表论文150余篇,其中封面文章17篇,文章被引用近4000次,h因子37。

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