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華南師范大學(xué)信息光電子科技學(xué)院教授蘭勝課題組與中山大學(xué)物理學(xué)院教授李俊韜、電子與信息工程學(xué)院教授佘峻聰合作，在單晶硅納米白光光源的研究中取得突破性進(jìn)展。相關(guān)研究發(fā)表于《自然—通訊》（Nature Communications）。博士研究生潘麥銘成和向進(jìn)為該論文共同第一作者，蘭勝教授和李俊韜教授為共同通訊作者。

隨著摩爾定律逐漸接近極限，硅基光電集成技術(shù)已經(jīng)成為未來半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的重要方向。然而，由于受到間接帶隙能帶的限制，硅發(fā)光需要依靠聲子輔助復(fù)合，體硅材料的量子效率僅有10??，無法作為有源器件應(yīng)用在硅光芯片中，成為制約硅基光電集成技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

目前，單晶硅基光源的研究主要存在四條技術(shù)路線：一是硅的非線性效應(yīng)，例如受激布里淵散射和受激拉曼散射等；二是量子限制效應(yīng)，例如多孔硅、硅量子點(diǎn)等；三是能帶工程，利用鍺硅合金調(diào)控硅的帶隙；四是利用光學(xué)共振模式增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用。

近年來，蘭勝課題組選擇了利用光學(xué)模式增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用為主要技術(shù)路線，對飛秒激光與硅基微納結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行了持續(xù)和系統(tǒng)的研究。他們利用各種光學(xué)共振模式，向單晶硅微納結(jié)構(gòu)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(diǎn)亮硅納米顆粒開始，到2021年利用鏡像磁偶極共振和表面晶格共振，結(jié)合本征載流子激發(fā)，實現(xiàn)了硅納米顆粒的熒光爆亮現(xiàn)象，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(dú)立的共振模式能夠提供強(qiáng)大的場局域效應(yīng)，從而實現(xiàn)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(zhì)的相互作用，進(jìn)而限制了光學(xué)非線性效率。幸運(yùn)的是，量子力學(xué)中連續(xù)域中的束縛態(tài)（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(jī)遇。BIC是一種獨(dú)特的光學(xué)模式，主要特征是能夠在亞波長結(jié)構(gòu)中支持具有極高品質(zhì)因子（quality factor）的超級腔模（supercavity mode）。這些光學(xué)模式可以應(yīng)用于新一代超薄、多用途光學(xué)元件，基于非線性效應(yīng)增強(qiáng)的低閾值激光器，以及實現(xiàn)亞波長共振模式強(qiáng)耦合的原理性驗證。

在本項研究工作中，科研人員將BIC原理應(yīng)用于零維納米結(jié)構(gòu)中，他們提出在一個有限長度的硅納米方塊中，也可以實現(xiàn)多種模式的強(qiáng)耦合，利用模式干涉，獲得具有高品質(zhì)因子的超級腔模。在具體樣品設(shè)計中，考慮到在實際使用時需要使用飛秒激光激發(fā)超級腔模，于是更多考慮多光子熒光的吸收系數(shù)與飛秒激光脈沖的頻域匹配。

支持BIC的Si/SiO2長方體的結(jié)構(gòu)和形態(tài)以及高效白光發(fā)射的物理機(jī)制

不僅如此，為了減少樣品刻蝕產(chǎn)生的缺陷，他們對硅納米方塊表面進(jìn)行了鈍化處理，顯著降低了非輻射損耗，最終將發(fā)光量子效率進(jìn)一步提升至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(xiàn)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(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐，同時也為操控間接帶隙半導(dǎo)體納米材料的發(fā)光開辟了新視野。