见微知著，揭开低维纳米光电新世界 | 清华大学宁存政团队重要成果集锦

推广位（非商务）

基本介绍

 

宁存政 教授
1991年在德国斯图加特大学著名物理学家哈肯教授指导下获物理学博士学位。1994年起，在美国亚利桑那大学进行博士后研究，后任研究助理教授。1997年，他开始在美国国家航空航天总署AMES研究中心任资深科学家，创建并负责纳米光学研究组，后任纳米技术总项目负责人至2007年。其间在2006年任日本东京大学固体物理研究所ISSP访问教授。2006年起任美国亚利桑那州立大学电机系终身教授，及该校物理、化学、材料科学与工程系兼职教授。2013年，他开始在德国柏林工大，清华大学等作为高级访问学者或访问教授。

2014年起任清华大学电子系教授。

宁存政教授主要从事纳米光子学及半导体光电子学物理及器件方面的理论及实验方面的研究工作。

荣誉和成就

他在国际许多一流杂志发表文章190多篇，包括《自然-光子学》，《自然-纳米技术》，《自然评论：材料》，《光：科学与应用》，《物理评论快报》，《纳米快报》等，论文被引用8000多次，H 因子为 49 （Google Scholar， 2020），在国际学术机构及大会上做邀请报告 220 多次，他1993年与胡岗教授等一块发现随机系统的“相干共振现象”，该现象已在几十个学科领域得到实验验证，该文迄今引用800多次，另有几项物理现象和理论与他的名字相关，如 Ning-Haken 几何位相理论或方法，或 Landsberg-Ning-Haken 表述等。

迄今为止，他曾担任IEEE量子电子学杂志的副编辑（Associate Editor），美国光学杂志（JOSA-B）及光学快讯的特邀编辑，美国光学学会，IEEE光子学会，SPIE等会议的组委会主席或委员，以及包括诺贝尔奖获得者冯·克利青在内的斯普林格纳米科学和技术系列丛书的六人编委之一。他是IEEE，OSA和国际电磁科学院会士，及美国国家发明家科学院成员。2006—2009年间，他曾获得IEEE光子学会杰出讲师奖，2015年因白光激光的发明获美国著名科技杂志《Popular Science》年度十大工程类发明奖。

宁存政从事半导体光电子学研究已有数十年，研究领域涉及纳米半导体的物理及光学过程，多体相互作用，器件物理，及器件应用等方面的理论和实验研究。在半导体光电子等研究领域，特别是纳米激光及纳米线光电材料方面，作出了一系列重大发现、发明及开拓性贡献，是国际上公认的纳米半导体激光领域开拓者之一。

他的名字也与多项世界第一联系在一起：第一个红外波段的纳米线激光器、第一个单片连续可调谐的激光及调谐范围的世界纪录、第一个四元合金的纳米材料、第一个单体红绿双色激光、第一个亚衍射极限尺寸的电注入激光等。

重要成果集锦

以下篇幅分为三方面展开：

Part I 基于一维纳米材料的激光器；Part II 基于二维纳米材料的发光器件；Part III 基于硅基的纳米柱制备及太阳能电池应用。
01

基于一维纳米材料的激光器

1.1

基于硅基上生长的硫化铅纳米线中红外波段激光器

Nano Letters

基于气-液-固（VLS）法生长的纳米线在激光及其他光学应用方面引起了广泛关注，然而基于纳米线的激光器发光波长主要集中在紫外波段到可见光波段，少量工作涉及到了近红外波段。进一步采用窄带隙半导体拓展发光波段至更长的波段（例如，中红外波段）面临着技术挑战，这是因为存在Auger复合以及非辐射通道，因此需要极高质量的特定种类的纳米材料来实现较高的辐射效率。这就导致许多需要中红外波段激光的应用场景得不到满足。

宁存政团队报道了在硅基上生长的PbS纳米线具有出色的中红外波段激光发射。不仅在硅基上证实了激光特性，还在转移后的蓝宝石基底上将纳米线归一化体积缩短为原来的一半且工作温度提升到180 K。这种亚波长的纳米线激光器有望在许多中红外波段激光应用场景中使用，以实现硅基集成的光电探测平台，比如化学和环境的传感、自由空间中的通讯以及其他许多应用。

Fan Fan, Zhicheng Liu, Minghua Sun, Patricia L Nichols, Sunay Turkdogan, Cun-Zheng Ning, Nano Letters, 20, 1, Page 470-477, 2019.

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纳米线光电子器件综述

Chemical Reviews

全光子集成电路是超越摩尔定律限制、实现新一代系统很有希望的平台。在过去的几十年中，一维纳米线由于其独特的一维结构，能够有效地产生和限制光信号，并且具有易于调谐的光学特性，在光子电路中显示出巨大的潜力。
在这篇综述中，杨培东和宁存政团队根据纳米线的光学特性，即半导体、金属和介质纳米线，对其潜在的光子应用（如发光体、等离子体和光子波导）进行了分类。他们进一步讨论了最近将纳米线光子元件集成到下一代光学信息处理器的发展趋势。并且他们也指出，在纳米线被充分用作光子电路的模块之前，仍然存在一些挑战，他们提出了今后的科技挑战和展望。

Li Na Quan, Joohoon Kang, Cun-Zheng Ning, Peidong Yang，Chemical Reviews，119, 15, Page 9153-9169, 2019. 

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1.3

单晶铒纳米线中的超高光学增益

Nature Photonics

掺铒光纤放大器是全光网络和信息高速传递系统中不可缺少的关键器件，其问世是光纤通信领域革命性的技术突破，使得长距离、高速率、大容量的光纤通信成为可能。然而在典型的掺铒材料中由于铒离子浓度太低，使得每厘米的光学增益仅为几个dB。因此，基于掺铒材料的激光器和放大器由于尺寸过大，无法用于未来光子芯片上的系统集成。

宁存政教授和孙皓副研究员的研究团队成功研制出一种生长在硅基衬底上的新型铒化合物纳米线，该材料同时具有近乎无缺陷的单晶结晶质量和较高的含铒浓度。课题组成功攻克了亚微米尺度下单根纳米线波导精准测试的诸多瓶颈难点，首次在单根纳米线上准确测量了材料的本征吸收系数，最终获得高达100dB/cm的光学净增益，远高于其他含铒材料的报道值。该研究结果不仅为在硅基光电集成芯片上实现纳米尺度的高增益光放大器奠定了重要基础，同时对于微纳结构材料的基础物理特性研究和器件应用有着重要意义。

Hao Sun, Leijun Yin, Zhicheng Liu, Yize Zheng, Fan Fan, Shilong Zhao, Xue Feng, Yongzhuo Li and C. Z. Ning，Nature Photonics, 11 (9): 589-593, 2017

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1.4

半导体纳米激光器综述

Advanced Photonics

半导体激光器是半导体光子学的一个重要分支，自20世纪60年代诞生以来，已经从根本上改变了我们生活的方方面面，并使许多技术得以发展。与微电子等其他半导体领域一样，小型化一直是一个永恒的主题，在过去的十年里，纳米激光是一个重要的研究前沿。

宁存政团队综述了纳米激光器的研究进展、存在的问题和未来的发展前景，特别是纳米激光器在芯片级光互连中的潜在应用。在这种应用中，一个重要的挑战是最小化纳米激光器的尺寸和能量消耗。从这一挑战的应用背景入手，比较了各种半导体激光器的基本特性。提出了纳米激光器存在的问题，并讨论了潜在的解决方案，以满足规模和能源效率的挑战。讨论涉及广泛的小型化激光器，包括等离子体纳米激光器和具有二维单层增益材料的激光器，重点是近红外波长。

Cun-Zheng Ning, Advanced Photonics, 1, 014002, 2019

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02

基于二维纳米材料的发光器件

2.1

二维材料中新的光学增益机制

Light: Science & Applications

能够在极低载流子密度水平下提供光学增益的半导体对于诸如节能纳米激光器等应用至关重要。然而，目前所有的半导体激光器都是基于传统的半导体材料，这些材料需要在所谓的Mott跃迁之上达到极高的密度才能实现光学增益。由于强库仑相互作用以及激子复合物的共存和相互转换，新兴的二维材料为研究新的激子物理和探索低密度下的新的光增益机制提供了前所未有的机会。

清华大学宁存政教授和孙皓副研究员的研究团队探索二维材料中激子和三子的平衡分布及相互转化，首次在二维材料中实验验证了一种新型光学增益机制的存在。这种光学增益的实现所需要的泵浦功率要比传统半导体材料（如GaAs、InP）低5个数量级，因此在光放大器以及低阈值纳米激光器等领域具有广泛的应用前景。

Zhen Wang, Hao Sun, Qiyao Zhang, Jiabin Feng, Jianxing Zhang, Yongzhuo Li & Cun-Zheng Ning, Light: Science & Applications, 9, 39, 2020

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2.2

二维材料发光器件综述

Proceedings of the IEEE

二维层状半导体材料近年来引起了许多科学技术领域的广泛关注。宁存政团队从二维材料的发光特性及相关器件的应用等方面综述了二维材料的主要进展。从基本光学性质的概述开始，包括各种激子配合物的发射特性、多体效应、等离子体耦合引起的光发射增强以及光学增益机制。接着讨论了二维材料与光腔的耦合，包括Purcell效应引起的腔增强发射、强耦合和弱耦合以及激光行为。然后，讨论了利用不同二维材料的堆叠层设计和制造各种异质结构，以限制和注入电荷载流子。这种结构对于任何半导体发光二极管（LED）或激光器的最终目标——电注入下的发光器件来说都是必不可少的。接下来回顾了电注入器件的进展，讨论了横向和纵向电注入方案下的LED。最后，对全文进行了展望和展望。

Yongzhuo Li, Hao Sun, Lin Gan, Jianxing Zhang, Jiabin Feng, Danyang Zhang, Cun-Zheng Ning, Proceedings of the IEEE, 1-28, 2019

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2.3

室温下连续模运转的二维材料纳米激光器

Nature Nanotechnology

纳米尺度上的激光器是未来芯片上光电集成的核心器件，对未来超级计算机和“片上数据中心”等信息科学技术至关重要。如能将这些纳米级器件做在硅基衬底上，将引领片上光互连的革命性发展，因而成为近几十年来国际学术界和科技产业界共同关注的焦点之一。

宁存政教授和李永卓助理研究员的研究团队结合多年来开展的纳米激光研究经验，利用厚度只有0.7纳米的单层二碲化钼作为增益材料，结合一个宽度仅300多纳米、厚度200多纳米的高质量硅纳米臂腔作为激光器谐振腔，在世界上首次实现了基于二维材料的纳米激光的室温运转。课题组发现，在上述二维材料中，电子和空穴的结合能非常高，可形成稳定的激子态，具有较高的发光效率。硅基纳米臂腔具有超高的光学品质因子，而二碲化钼的激子辐射波长在硅材料内几乎没有吸收。因而，二维材料和硅基纳米臂腔的“强-强”结合，是将激光器运转温度提升到室温的重要原因。该工作对于超低阈值纳米激光器的基础研究和实际应用具有重要意义。此外，对于光电集成及其在未来计算机芯片上的前沿探索提供了新思路。

Yongzhuo Li, Jianxing Zhang, Dandan Huang, Hao Sun, Fan Fan, Jiabin Feng, Zhen Wang and C. Z. Ning, Nature Nanotechnology, 12 (10): 987-992, 2017.

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2.4基于单层MoTe2的双栅调控近红外发光二极管2019 Conference on Lasers and Electro-Optics

硅基纳米光源是低功耗光子集成芯片长期面临的重大挑战之一，因为缺乏一种高效的近红外活性材料。新兴的过渡金属硫族化合物（TMD）因其在集成光电器件等领域的潜在应用而引起了广泛的关注。大部分TMD当带隙半导体的厚度减小为单层时，将其从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体。因此，单层TMDs可以为硅基光源提供一条重要的研究思路。尤其是单层二硫化钼（ML MoTe2）是一种红外发射的硅透明TMDs。它在~1.1ev处有一个激子光致发光（PL）发射峰，在硅带隙下方约50mev。

宁存政团队展示了一种基于单层MoTe2的近红外发光二极管，并研究了该器件从低温到室温的EQE。该器件在室温下的发射波长约为1145 nm，EQE约为10-4。随着温度的降低，EQE大大提高。EQE在5K时达到5×10-3，为进一步的器件优化和EQE改进奠定了基础，有助于提高单层MoTe2基LED的实际应用性能，实现电致MoTe2基纳米激光器。

Jiabin Feng, Yongzhuo Li, Song Fu, Jianxing Zhang, Zizhao Zhong, Hao Sun, Lin Gan, Cun-Zheng Ning, External Quantum Efficiency of Monolayer MoTe2 Based Near-Infrared Light Emitting Diodes, 2019 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)

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03

基于硅基的纳米柱制备及太阳能电池应用

3.1

InP纳米柱生长

CrystEngComm

尽管在过去十年中太阳能电池的成本大幅降低，但要实现与化石燃料能源相比具有竞争力，还需要进一步降低成本。与目前占主导地位的硅基太阳能电池相比，由于III-V材料的高质量和直接带隙，III-V太阳能电池在单结太阳能电池和多结太阳能电池方面都取得了最高的效率；但是，III-V太阳能电池的高成本限制了其主要应用于市场。这种高成本主要是由于需要晶格匹配以确保外延生长高质量的III-V材料。
为了降低III-V太阳能电池的成本，宁存政团队提出了一种在低成本硅纳米结构衬底上沉积高质量III-V薄膜的无缓冲层方法，该方法通过硅衬底的纳米孔形貌引起的应力松弛实现。作为该方法的概念验证，研究了高质量InP薄膜的纳米异质外延沉积。通过比较InP在纳米Si（100）衬底上的沉积纳米孔和纳米柱的形貌，发现纳米孔的形貌是InP薄膜纳米异质外延的首选。

Alan H Chin, Lin Gan, Cun-Zheng Ning, Nanostructured silicon substrates of nanopore morphology for buffer-layer free nanoheteroepitaxial growth of InP films, CrystEngComm, 21, page 5559-5562, 2019

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3.2

利用低成本金属催化气-液-固法生长高质量磷化铟薄膜和纳米网络

Advanced Optical Materials

InP是太阳能电池的重要半导体材料之一应用，这种材料具有高迁移率和低的表面复合速率。基于InP的高吸收系数，InP太阳能电池的理论转换效率可以高达33%。然而通过低成本方式制备InP依然是很大的技术挑战。 

宁存政团队提出在一个简单低成本化学气相沉积（CVD）反应器中，通过元素In和P的直接共蒸发，实现了高质量InP薄膜的生长。通过探索金属辅助汽-液-固和汽-固机制之间的相互作用，实现了高化学计量比InP薄膜或纳米网络在560～720℃的宽生长温度范围内的生长。光致发光PL测量显示，与商用InP晶圆（约41mev）相比，光致发光带宽（约49mev）的InP薄膜具有更高的光学质量。这种方法的多功能性通过在不同的衬底上成功地生长薄膜来证明，如硅、InP和熔融石英。通过比较Au催化剂和In-自催化剂（不含Au）的生长情况，研究了催化剂的作用。Au催化生长的温度依赖性研究表明，较高的生长温度会形成较大的晶粒尺寸和连续的无空穴InP多晶薄膜。初步的太阳能电池器件是在带有铟锡氧化物接触层的p型硅上制造的，展示了很好的太阳能电池应用前景。新的生长策略为制备高效率、低成本的太阳能电池提供了一种更简单、低成本的方法来生产高质量的InP薄膜。

Seyed Ebrahim Hashemi Amiri, Lin Gan, Fan Fan, Praneeth Ranga, Cun-Zheng Ning, High-Quality Indium Phosphide Films and Nano‐Network Grown Using Low‐Cost Metal‐Catalyzed Vapor–Liquid–Solid Method for Photovoltaic Applications, Advanced Optical Materials, 6, 1800136, 2018.

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3.3

半导体合金纳米材料的带隙工程

Nature Reviews Materials

在过去的几十年里，通过构建纳米材料合金能够实现在很宽的范围内对带隙进行调制。这些材料包括传统的II-VI和III-V半导体以及它们的合金，无机和杂化钙钛矿，以及新出现的二维材料。宁存政团队和杨培东团队指出这些材料的一个重要的共同特点是，它们的纳米尺寸在组分变化的时候仍然具有很大的晶格失配容忍度，这样可以实现很多种合金成分的组合。因此，这些合金的带隙可以被广泛地调谐，同时避免了传统体材料存在诸多缺陷态的问题。这类纳米材料有望对各种光子应用产生深远影响，包括可调谐激光器、固态照明、人工光合作用和新型太阳能电池。

Cun-Zheng Ning, Letian Dou and Peidong Yang, Bandgap engineering in semiconductor alloy nanomaterials with widely tunable compositions, Nature Reviews Materials, 2, 17070, 2017.

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新刊 eLight 即将隆重上线这是中国光学发布的第1174篇，如果你觉得有帮助，转发朋友圈是对我们最大的认可 ☞ 本文编辑：赵阳☞ 来源：中科院长春光机所 | Light学术出版中心声明：本文所用视频、图片、文字如涉及版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除.邮箱：[e-mail]
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