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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(lái)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(wú)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(lái)，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(duì)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(jí)共振點(diǎn)亮硅納米顆粒開(kāi)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(shí)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(chǎng)局域效應(yīng)，從而實(shí)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(wèn)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)中支持具有極高品質(zhì)因子（quality factor）的超級(jí)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(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)共振模式強(qiáng)耦合的原理性驗(yàn)證。

在本項(xiàng)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(gè)有限長(zhǎng)度的硅納米方塊中，也可以實(shí)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(jí)腔模。在具體樣品設(shè)計(jì)中，考慮到在實(shí)際使用時(shí)需要使用飛秒激光激發(fā)超級(jí)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(zhǎng)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(duì)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(jí)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(lái)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(shí)也為操控間接帶隙半導(dǎo)體納米材料的發(fā)光開(kāi)辟了新視野。