1.中科院半導(dǎo)體所在二維陣列激光器方面取得重要進(jìn)展；
2.中科院蘇州納米所張興旺團(tuán)隊(duì)Sci. Adv. ：二維半導(dǎo)體轉(zhuǎn)角異質(zhì)光子晶體；
3.大連理工梁紅偉團(tuán)隊(duì)在OVPE外延Ga2O3厚膜及缺陷形成機(jī)理研究方向取得新進(jìn)展；
4.中國科大實(shí)現(xiàn)基于金剛石量子傳感的并行加速電子順磁共振譜學(xué)探測
1.中科院半導(dǎo)體所在二維陣列激光器方面取得重要進(jìn)展
垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）憑借其低閾值、圓形光斑、單縱模、低溫漂系數(shù)、高可靠性及易于二維集成的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于泵浦源、消費(fèi)電子、3D傳感、醫(yī)療美容等多個(gè)領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)VCSEL在輸出功率方面存在一定的局限，為提高功率，通常采用增大氧化孔徑、多結(jié)結(jié)構(gòu)以及擴(kuò)大陣列規(guī)模等方法。這些手段雖然能夠增加輸出功率，但卻導(dǎo)致發(fā)散角增大和橫模變?yōu)楦唠A模等問題，進(jìn)而使光束質(zhì)量（Beam Parameter Product，BPP）下降，最終導(dǎo)致亮度急劇降低。因此，高功率與高光束質(zhì)量之間的制約，成為了VCSEL技術(shù)發(fā)展的核心難題之一，也極大地限制了其在激光雷達(dá)、空間光通信等需要高亮度光源的遠(yuǎn)程探測與照明系統(tǒng)中的應(yīng)用。
為解決這一瓶頸，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所固態(tài)光電信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室鄭婉華院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院大學(xué)等單位，創(chuàng)新性地提出二維固態(tài)激光陣列（SSLA）解決方案。該技術(shù)通過將大尺寸高功率VCSEL陣列與薄型Nd:YVO4激光晶體直接集成，構(gòu)建出緊湊型二維面陣激光器結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)功率等比擴(kuò)展的同時(shí)能顯著提升光束質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這款3×3 mm2 的SSLA陣列在1 μm中心波長下，單脈沖能量達(dá)4.7 mJ，光光轉(zhuǎn)換效率52%，面光源亮度高達(dá)1.27 kW·cm-2·sr-1，較傳統(tǒng)VCSEL陣列提升近三個(gè)數(shù)量級(jí)。其創(chuàng)新性體現(xiàn)在：①各發(fā)光單元保持M2<1.5的優(yōu)異光束質(zhì)量；②繼承VCSEL陣列的固有激光發(fā)射陣列模式；③突破功率擴(kuò)展與光束退化的傳統(tǒng)矛盾。這種“高功率-高亮度-高集成"三位一體的技術(shù)突破，為遠(yuǎn)程探測系統(tǒng)提供了輕量化的高亮度光源解決方案。此外，這項(xiàng)二維固態(tài)激光陣列技術(shù)的突破，不僅為傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展開辟了新的可能，也為高速數(shù)據(jù)傳輸、三維成像、精密測距等新興領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。在未來，隨著技術(shù)的不斷成熟，面陣激光源的可芯片化設(shè)計(jì)將成為激光技術(shù)發(fā)展的重要方向，推動(dòng)激光技術(shù)向更高效、更緊湊的未來邁進(jìn)。
該研究成果以“Scaled-up 2D Solid-State Laser Array”為題，發(fā)表于Optics Letters（《光學(xué)快報(bào)》），并被選為Editor's pick（“編輯精選”）。半導(dǎo)體所博士生張妮慧和國科大單珍嬌為論文共同第一作者，渠紅偉研究員、周旭彥副研究員和齊愛誼副研究員做出了重要貢獻(xiàn)。該工作得到了鄭婉華院士的悉心指導(dǎo)和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
圖1 二維固體激光陣列圖片
圖2 二維固體激光陣列近場光束圖像
圖3 單點(diǎn)陣激光源光束質(zhì)量測試結(jié)果
（文章來源：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所）
2.中科院蘇州納米所張興旺團(tuán)隊(duì)Sci. Adv. ：二維半導(dǎo)體轉(zhuǎn)角異質(zhì)光子晶體
二維半導(dǎo)體因其原子級(jí)厚度和獨(dú)特的光電特性，被視為下一代光電子器件的關(guān)鍵候選材料之一。由于二維半導(dǎo)體通過層間范德華力結(jié)合，單層二維半導(dǎo)體可被輕易剝離并以垂直堆疊方式構(gòu)建成人工異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅能融合各層二維半導(dǎo)體的激子特性，還可以通過改變層間扭轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生具有轉(zhuǎn)角依賴特性的新型激子態(tài)。另一方面，如何控制發(fā)光方向?qū)Π雽?dǎo)體發(fā)光器件有重要意義。一般而言，實(shí)現(xiàn)定向發(fā)光需要光學(xué)諧振與發(fā)光介質(zhì)在近場相互作用，進(jìn)而將光輻射至遠(yuǎn)場。然而，由于二維半導(dǎo)體自身缺乏光學(xué)諧振，必須依賴外部光學(xué)諧振腔與之集成。因此，目前調(diào)控激子發(fā)射方向的方案多是基于各類人工納米光子結(jié)構(gòu)（如納米天線和光子晶體）與二維半導(dǎo)體集成。盡管這些外部光學(xué)諧振腔可通過腔內(nèi)電場或倏逝場增強(qiáng)光與激子的相互作用，但介質(zhì)材料與二維半導(dǎo)體的接觸界面可能會(huì)引入n型摻雜或?qū)е氯毕葺o助的非輻射復(fù)合，抑制激子發(fā)光。另外，所集成的介質(zhì)材料會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)介電屏蔽效應(yīng)，顯著降低層間激子的結(jié)合能，進(jìn)而嚴(yán)重抑制層間激子的發(fā)光。
針對(duì)上述科學(xué)問題，中國科學(xué)院蘇州納米所張興旺團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新方案——自耦合光子晶體諧振技術(shù)。如圖1所示，通過在懸空的雙層WS2/WSe2上直接構(gòu)建光子晶體結(jié)構(gòu)，一方面完全消除了傳統(tǒng)集成中的界面接觸問題，另一方面也將材料的環(huán)境介電常數(shù)降至最低(1.0)，有效地減弱了介電屏蔽效應(yīng)從而提升了激子結(jié)合能。同時(shí)，原子層級(jí)光子晶體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的導(dǎo)模諧振還可以增強(qiáng)激子發(fā)光的Purcell因子和光提取效率。另外，通過調(diào)節(jié)激發(fā)光能量，可選擇性地激發(fā)特定激子。最后，憑借其固有的角色散特性，光子晶體可根據(jù)激子發(fā)光能量，實(shí)現(xiàn)激子發(fā)光在能量-動(dòng)量空間的分選。該方法有望應(yīng)用于研究二維半導(dǎo)體莫爾超晶格中的激子調(diào)控。
圖1. 懸空的原子層級(jí)WS?/WSe?轉(zhuǎn)角異質(zhì)光子晶體中的激子發(fā)光在能量-動(dòng)量空間的分選
該工作以?Directional sorting of exciton emissions from twisted WS2/WSe2?hetero-bilayers using self-coupled photonic crystal resonances?為題發(fā)表在?Science Advances?上。中國科學(xué)院蘇州納米所博士后陳玉華為論文第一作者，張興旺研究員為論文通訊作者，該研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持，同時(shí)也得到了中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）、納米加工平臺(tái)的支持。（文章來源：中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所）
3.大連理工梁紅偉團(tuán)隊(duì)在OVPE外延Ga2O3厚膜及缺陷形成機(jī)理研究方向取得新進(jìn)展
近日，大連理工大學(xué)集成電路學(xué)院梁紅偉教授課題組在OVPE外延Ga2O3厚膜及缺陷形成機(jī)理研究方向取得新進(jìn)展，以O(shè)VPE外延方法在（010）面實(shí)現(xiàn)10μm以上Ga2O3厚膜，并通過分析Ga2O3外延成核機(jī)制構(gòu)建了位錯(cuò)線形成的三維模型，解釋了具有角度和指向性位錯(cuò)線的形成機(jī)制。相關(guān)研究成果以“The three dimensional model of extended defects
in β-Ga2O3 homoepitaxial film”為題發(fā)表于Applied Physics Letter并作為當(dāng)期的Featured article。
目前，Ga2O3存在厚膜外延難度大、外延層中具有角度和指向性位錯(cuò)線的形成機(jī)制不明的問題。針對(duì)上述問題，梁紅偉教授課題組首先通過采用Oxide vapor phase epitaxy
(OVPE)的方法在（010）面上實(shí)現(xiàn)10μm以上Ga2O3厚膜。相較于其他方法，OVPE方式具有生長速度快（≥10μm/h），成膜質(zhì)量高并且設(shè)備成本低等優(yōu)勢。通過分析（010）面的外延形貌并構(gòu)建缺陷形成的三維模型發(fā)現(xiàn)，從[100]方向觀察到的與(001)平面成約60度角的位錯(cuò)線源于納米管的 (100) 主面與準(zhǔn)四面體區(qū)域的(11-1)平面之間的交線，具有1/2<1-12>、1/2<1-32>和<101>博格斯矢量方向的位錯(cuò)線是納米空洞的（-201）和（101）短邊面與（111）和（-111）面相交形成的。而鋸齒形蝕刻坑的出現(xiàn)可以通過在各缺陷位置經(jīng)過各向異性濕法蝕刻后暴露的兩個(gè)側(cè)面(111)或(1-11)面以及(100)面的中央核心來解釋。
圖1. (a)OVPE法外延Ga2O3厚膜AFM圖；(b) Ga2O3厚膜SEM圖
圖2. 具有指向性位錯(cuò)線形成的三維模型圖
大連理工大學(xué)集成電路學(xué)院博士生王紫石為論文第一作者，張赫之副教授為論文通訊作者，梁紅偉教授和香港科技大學(xué)黃文海教授為論文合作者。（文章來源：大連理工大學(xué)集成電路學(xué)院 ）
4.中國科大實(shí)現(xiàn)基于金剛石量子傳感的并行加速電子順磁共振譜學(xué)探測
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室石發(fā)展、孔飛等人開發(fā)了基于金剛石量子傳感的并行加速電子順磁共振（ElectronParamagneticResonance, EPR）譜學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)了自由基光化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測。這項(xiàng)成果最近以“Parallel Accelerated Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy Using Diamond Sensors”為題，發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。
金剛石氮-空位（NV）色心具有納米尺度的單自旋EPR探測能力，但單自旋檢測通常耗時(shí)較長而難以觀測EPR譜的動(dòng)態(tài)變化過程。為解決上述問題，研究團(tuán)隊(duì)在前期所發(fā)展的零場磁共振技術(shù)[Nat.Commun.9，1563（2018）,Sci.Adv.6，eaaz8244（2020）]和原位磁共振技術(shù)[Nat.Commun.14，6278（2023）]的基礎(chǔ)上，開發(fā)了對(duì)目標(biāo)待測自旋分子朝向、NV色心朝向、操控場均勻性以及目標(biāo)自旋弛豫時(shí)間（即T1時(shí)間）均具有高容忍度的磁共振檢測技術(shù)，從而可以利用金剛石表面大量NV色心和待測自旋實(shí)現(xiàn)高效并行地檢測（如圖1所示）。該技術(shù)方法中，零場技術(shù)用于消除目標(biāo)自旋的取向依賴性譜線展寬，原位技術(shù)通過幅度調(diào)制微波序列同步調(diào)控大規(guī)模NV系綜的響應(yīng)頻率，交叉弛豫式探測技術(shù)用于提升并行測量靈敏度。當(dāng)前用17微米尺度范圍內(nèi)NV色心實(shí)現(xiàn)對(duì)納米厚度自由基信號(hào)的檢測，可以達(dá)到0.1秒的探測時(shí)間精度，該方法后續(xù)可以利用更大的如毫米尺度NV系綜體系進(jìn)一步提升探測效率。
圖1：并行加速探測方案。（a）金剛石NV色心探測電子自旋示意圖。（b）交叉弛豫探測原理示意圖。（c）基于交叉弛豫的EPR譜學(xué)探測原理示意圖。
基于上述方法，研究人員展示了生物化學(xué)領(lǐng)域常用的自旋標(biāo)簽氮氧自由基的零場超精細(xì)譜。受益于并行探測方法的高效性，譜線的時(shí)間變化信息能夠被提取出來，實(shí)時(shí)觀察到自由基EPR譜的動(dòng)態(tài)變化過程，包括信號(hào)峰面積逐漸減小、信號(hào)峰寬逐漸變窄（如圖2所示）。對(duì)該現(xiàn)象的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，EPR信號(hào)衰減速率所照射的光功率密度基本呈線性依賴關(guān)系，證明了這一動(dòng)態(tài)變化由光化學(xué)反應(yīng)引起。
圖2：氮氧自由基EPR譜動(dòng)態(tài)變化。（a）譜線實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果。（b）光淬滅過程示意圖。（c）信號(hào)峰面積的時(shí)間依賴曲線。（d）信號(hào)峰寬的時(shí)間依賴曲線
該成果為在納米尺度層厚的二維界面上高速并行探測電子自旋提供了新的譜學(xué)技術(shù)手段，有助于探測二維材料中的低豐度順磁自旋，有助于為研究界面上有自由基參與的生物化學(xué)反應(yīng)提供實(shí)時(shí)譜學(xué)信息，指導(dǎo)相關(guān)自旋標(biāo)簽探針的光淬滅機(jī)制的研究，有助于單分子實(shí)驗(yàn)自旋標(biāo)簽的前期篩選與優(yōu)化。
博士生黃哲華與趙正澤為論文共同第一作者，孔飛研究員與石發(fā)展教授為通訊作者。此項(xiàng)研究受到國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、科技部、新基石科學(xué)基金會(huì)等資助。（文章來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）
