光學(xué)腔對低維材料的光學(xué)特性優(yōu)化具有重要作用，然而傳統(tǒng)的腔體制備方法往往涉及刻蝕工藝，可能導(dǎo)致材料損傷或性能下降。近年來，InSe作為一種具有直接帶隙特性的III-VI族層狀半導(dǎo)體，在近紅外光發(fā)射、光電探測和非線性光學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，InSe的發(fā)光效率受到面外激子的限制，導(dǎo)致其光致發(fā)光（PL）性能較弱。因此，如何增強(qiáng)InSe的激子發(fā)射，提升其光學(xué)特性，成為該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。論文提出了一種基于無刻蝕的InSe微腔結(jié)構(gòu)，并利用連續(xù)譜束縛態(tài)（BIC）增強(qiáng)激子-光子耦合，從而顯著提高InSe的光發(fā)射效率。該設(shè)計(jì)通過在InSe表面引入高分子光柵結(jié)構(gòu)，在無需刻蝕的情況下構(gòu)建了高Q值的光學(xué)腔，實(shí)現(xiàn)了超過200倍的PL增強(qiáng)，并在非線性光學(xué)應(yīng)用中表現(xiàn)出超過400倍的二次諧波（SHG）增強(qiáng)。本研究為優(yōu)化層狀半導(dǎo)體的光學(xué)特性提供了一種有效且可拓展的方法，為下一代光子器件、非線性光學(xué)應(yīng)用和片上光源的開發(fā)提供了新思路。相關(guān)工作以Etchless InSe Cavities Based on Bound States in the Continuum for Enhanced Exciton-Mediated Emission發(fā)表在Advanced Materials期刊。
本研究提出了一種基于無刻蝕 InSe 微腔的高效激子發(fā)射增強(qiáng)技術(shù)，并設(shè)計(jì)了如圖1所示的微納結(jié)構(gòu)，通過連續(xù)譜束縛態(tài)實(shí)現(xiàn)高Q值光學(xué)腔，顯著提升InSe的光致發(fā)光強(qiáng)度（圖2）。該器件利用光柵誘導(dǎo)的BIC形成高品質(zhì)因子共振模式，避免了傳統(tǒng)刻蝕工藝對材料的損傷，同時增強(qiáng)了激子-光子耦合。此外，研究團(tuán)隊(duì)采用高分子光柵與InSe薄膜的耦合設(shè)計(jì)，有效提升了光場局域性，使激子復(fù)合發(fā)光效率提高超過200倍（圖3）。實(shí)驗(yàn)表明，該器件在不同激發(fā)功率下均表現(xiàn)出穩(wěn)定的PL增強(qiáng)，并在非線性光學(xué)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了超過400倍的SHG增強(qiáng)（圖4）。進(jìn)一步研究表明，該微腔結(jié)構(gòu)能夠在不同溫度下保持較高的光學(xué)品質(zhì)因子和穩(wěn)定的光發(fā)射性能（圖5），驗(yàn)證了其在復(fù)雜環(huán)境中的適用性。該研究為低維半導(dǎo)體的光學(xué)調(diào)控、非線性光學(xué)增強(qiáng)和片上光子器件的開發(fā)提供了新思路，并為未來高性能光學(xué)腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
圖1.光柵物理模型。(a)模型示意圖：展示了在InSe薄片上方覆蓋并圖案化的聚合物光柵腔結(jié)構(gòu)；(b)反射光譜模擬，表明該結(jié)構(gòu)的共振特性；(c)光子帶結(jié)構(gòu)，其中包含BIC模態(tài)和GMR模態(tài)；(d)電場分布；(e)Q因子模擬；(f)遠(yuǎn)場輻射偏振態(tài)的方位角分布：對BIC頻帶的偏振特性進(jìn)行了模擬，進(jìn)一步確認(rèn)了BIC模式的存在。
圖2.InSe的光學(xué)特性。(a)InSe的能帶結(jié)構(gòu)示意圖；(b)InSe的角分辨PL光譜；(c)InSe上聚合物光柵腔的光學(xué)顯微鏡圖像；(d)SEM圖像；(e)設(shè)計(jì)的光柵腔模擬角分辨反射光譜；(f)實(shí)驗(yàn)測量的角分辨反射光譜。
圖3.PL增強(qiáng)測試。(a)PL譜比較；(b)不同厚度InSe的增強(qiáng)因子；(c)PL發(fā)射的偏振特性；(d) PL的角分辨特性；(e)X-X散射過程的增強(qiáng)；(f)PL峰隨溫度變化的趨勢。
圖4.SHG增強(qiáng)測試。(a)SHG光譜比較；(b)SHG功率依賴性；(c)不同厚度InSe樣品的SHG增強(qiáng)因子；(d)SHG的偏振依賴性；(e)不同諧振波長的SHG增強(qiáng)；(f)設(shè)備穩(wěn)定性。
圖5.柱狀腔模擬結(jié)果。(a)柱狀腔的結(jié)構(gòu)示意圖；(b)柱狀腔的SEM圖像；(c)柱狀腔的模擬光子帶結(jié)構(gòu)；(d)角分辨反射光譜；(e)柱狀腔對PL的增強(qiáng)；(f)柱狀腔對SHG的增強(qiáng)。
小結(jié)：綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一種新的無刻蝕聚合物光學(xué)腔，可以有效增強(qiáng)InSe材料的光發(fā)射。這個腔體能夠與InSe中的出平面激子強(qiáng)烈耦合，并將本來較弱的OP偏振光轉(zhuǎn)換為更強(qiáng)的、垂直于表面的PL信號。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種光柵腔結(jié)構(gòu)使PL強(qiáng)度提升了218倍。除了提升PL強(qiáng)度，該聚合物腔體還將InSe的SHG信號增強(qiáng)了404倍，展示了在非線性光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力無蝕刻腔設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步擴(kuò)展到光柵以外的其他納米結(jié)構(gòu)。這一研究為提高OP激子的光學(xué)性能提供了一種可行而有效的方法，為先進(jìn)的線性和非線性光子器件鋪平了道路。
論文信息：Chen W, Zhu S, Cui J, et al. Etchless InSe Cavities Based on Bound States in the Continuum for Enhanced Exciton‐Mediated Emission. Advanced Materials, 2025: 2500226.
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