石墨烯激光器

石墨烯是一种薄的二维碳原子层，它的发现荣获2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，保持高强度的同时超轻，保持高硬度的同时又有很强的灵活性；同时，石墨烯电子迁移率极高，光电响应强。因此，石墨烯材料在调制器、光电探测器、低损耗波导等下一代光电器件的设计中正在大显身手。

图1 应变石墨烯中纳米柱的渲染图。这一结构将会产生极强赝磁场，从而改变材料光学特性

然而，石墨烯在激光器方面目前仍无计可施：由于石墨烯是一种零带隙材料，所以研究人员很难实现石墨烯激光器。

日前，新加坡的研究人员通过扭曲石墨烯材料的超薄薄片张力，朝着这一目标的实现迈出了有趣的一步（文章见：Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-021-25304-0)。具体来说，该团队已经证明，如果在石墨烯薄片上加工纳米柱的周期性结构，即可产生局部应变，从而产生极强的赝磁场。反之，这些磁场将影响电子传输，打开能隙，并显著改善材料的光学跃迁。文章作者认为，这一结果意味着“新型基于石墨烯的光电器件”的问世将成为可能，包括石墨烯激光器。

“虚假”磁场

科学家们很早以前就已经知道：将石墨烯置于外部磁场中，可以通过影响载流子运动和弛豫时间，在二维薄层上产生能隙。难点在于，要实现这一点需要高强度的磁场——几乎与实验室规模的超导磁体产生的磁场相当。因此，这种方法似乎并不适用于芯片级的集成电子和光子器件。

经过过去十年探索，科学家们有发现了另一种方法：通过应变设计在石墨烯内创建一个赝磁场。各种研究表明，在纳米尺度下拉伸石墨烯薄片可以产生强大的局部规范场，从而有效产生极强赝磁场——最近的一项研究标明，磁场强度甚至可到达800T之高。反之，这些场原则上应该会在石墨烯中形成所谓的朗道量子化（即与磁场中电子运动相关的离散能级），从而在零带隙的材料中产生能隙结构。

纳米柱阵列

图2 上图：石墨烯纳米柱边缘的不均匀拉伸应变诱发了符号相反的赝磁场。下图：纳米柱阵列的扫描电子显微镜成像图（比例尺：主图2µm，右上角插入图1µm）

这一理论尚未得到验证的部分是：极强伪磁场如何影响石墨烯光学特性的实验测试。为了进行测试，新加坡南洋理工大学Dongguk Nam领导的研究小组深入研究了应变石墨烯中热载流子（电子和空穴）的运动。

该团队首先在SiO2/Si衬底上用化学方法蚀刻出一组呈直线排列的纳米柱，然后在其上覆盖了一层20纳米厚的Al2O3层。然后将石墨烯层湿法转移到纳米柱阵列之上；在毛细力作用下，石墨烯将会贴合纳米柱阵列的形状。石墨烯优异的力学性能使得大的局部拉伸应变能够在纳米柱边界处积累，从而形成强大的赝磁场。

研究小组随后使用扫描电子显微镜和拉曼光谱来详细表征了应变分布。利用实测应变值进行的数值模拟表明，纳米柱应变石墨烯最强变形点附近产生的赝磁场高达100 T。

测量载流子弛豫

最后，为确定这种变形诱导场对石墨烯光学特性的影响，新加坡的研究人员深入研究了应变石墨烯的载流子运动。具体来说，他们向材料发射飞秒泵浦脉冲激发载流子，然后以不同延迟时间发射探测脉冲，以计算载流子弛豫到原始能级的时间。

研究小组发现，应变石墨烯的载流子弛豫时间比非应变石墨烯长一个数量级以上。进一步的实验和数值模拟表明，电子行为与赝朗道能级一致，因此，石墨烯中行程了能隙结构。

能否实现石墨烯激光器？

图3 泵浦-探测实验（上图）结果显示，应变石墨烯与非应变石墨烯中载流子的弛豫时间相比显著减慢，这与材料朗道量子化的趋势一致。据作者说，这一现象有望创造初赝朗道能级石墨烯激光器和其他新型光电器件

研究组组长Dongguk Nam说，在这一系统中， “可以通过改变纳米柱的大小实现对赝磁场的调控”。他认为，这将有望应用于“无穷种带隙不同的独特石墨烯器件”中。

Nam说，最为吸引人当属是利用这一技术制造石墨烯激光器。在今年早些时候发表在Optics Express上的一项理论研究中，新加坡团队认为，得益于应变石墨烯中的赝磁场，朗道量子化将使该材料成为“一种极好的增益介质”，从而为芯片级石墨烯激光器奠定了基础。

因此，Nam博士认为，其团队对应变二维材料的光学特性的验证分析，将有助于“实现世界上最强、最薄的激光器”。他说，这种石墨烯激光器将是“实现全石墨烯电子光子集成电路的最后一块拼图……有望革新计算机芯片的工作方式。”