得益于原子層超薄二維材料的制備、堆疊方法的不斷發展，二維材料范德華異質結為量子材料打開了新的大門。通過不同層狀材料的組成和堆疊方向的調控，或者外部電場的變化，可以實現各種新奇的物理性質，譬如高溫超導等等。
2019年上半年，范德華異質結相關研究成果已經在Nature發表10篇文章。其中，2月25日一天發表了3篇，7月17日一天發表了2篇。最近，在這10篇Nature之后，11月又發表1篇Nature，都是關于二維范德華異質結相關領域。
半導體激光器具有器件緊湊，波長范圍大，電泵浦效率高，電調制速度快等優點，在當今的各類技術中應用十分廣泛。半導體激光器主要基于傳統的III-V族半導體量子阱。為進一步降低功耗，減小尺寸，并更好地與Si集成，大量研究工作致力于開發新型增益材料和結構，例如納米線激光器，等離子體激光器，以及光子晶體激光器。然而，可調諧性、電泵浦以及異質集成方面依舊存在不足。
最近，單層過渡金屬硫族化合物晶體（TMDCs）由于具有原子級厚度和強激子發射，逐漸成為一類新型的半導體激光器材料。3D半導體因晶格失配在基底選擇方面十分有限，而2D的TMDCs則因不具有懸掛鍵，能直接與不同基底組合。
前人的研究采取了兩個指標來評估單層TMDCs產生激光的過程：泵浦功率變化時，線寬以及非線性強度依賴性的變化。然而，在相關研究中，光子通量疑似低于激發閾值。空間相干性——激光器的重要特征之一，則未被研究。因此，很難確定局域激子（諸如點缺陷）不是非線性依賴性現象的源頭。此外，對于單層物質作為增益材料的情況，可調諧性存在局限，其本身（不與其他摻雜半導體接觸）也不能成為垂直p-n結。
相比之下，異質結打開了調控能帶結構和激子態的大門。目前異質結中的空間非直接激子已被廣泛研究，其具有可電調諧的長程相互作用靜態偶極子。然而，空間非直接激子的振蕩強度較低，限制了其進一步應用。
近日，密歇根大學安娜堡分校物理系Hui Deng課題組發現，通過將2D WSe2–MoSe2異質結置于SiN光柵腔上，層間激子成為有效的增益媒質，使得在較低粒子數反轉密度下就能形成擴展空間相干性激光發射。
圖1. 雙層異質結/光柵腔激光系統的示意圖。
如圖1b所示，通過在相距1 nm以內的兩個異質單層之間形成直接帶隙，層間激子維持了足夠大的振蕩強度。II型能帶排列則使異質結形成了三能級系統，通過層內激子共振及隨后的電子快速轉移至低能級的空導帶（圖1c），電泵浦能高效進行。因此，粒子數反轉很容易在減小的帶隙處實現，同時能避免載流子在層內的快速輻射損失。此外，與單層材料激子激光器使用的某些諧振腔相比，該裝置所用諧振腔完整覆蓋了異質結，使整個異質結區域存在增益，并支撐了擴展空間相干性。由此，實驗中成功觀測到了激光的產生，伴隨著空間相干長度的陡增。隨著泵浦功率增加，發射強度先是在穿過激發閾值時非線性地增加了100多倍，隨后持續地線性增加。
圖2. 雙層異質結和光柵腔的性質。
圖3. 層間激子激光器的光譜性質。
圖4. 層間激子激光器的一階相干。
總之，該研究開創性地將工程化TMDC異質結中的層間激子作為高效的激光激發媒質。與單層TMDC中的激子相比，該異質結激子具有可電調諧的長程偶極相互作用和振蕩強度，強健的谷極化，以及適合于電注入的II型能帶排列。
作者同時指出了該研究可進一步探索的方向：
1. 由于莫爾超晶格普遍存在于異質結中，未來可進一步探究莫爾超晶格在異質結激光器中所起的作用。
2. 可通過封裝h-BN，提高諧振腔品質因子Q，降低諧振腔模式的橫向限域效應，來降低增益媒質的非均勻寬化，進一步提升異質結激光器的品質。
3. 可使用其他范德華材料構建異質結激光器，實現不同波長。
4. 利用諧振腔的橫向旋轉不變性，可實現谷極化的層間激子激光器。
5. 電調諧振蕩強度可能實現對激光的快速調制，雙層p-n異質結可施加電注入。
6. 可采用絕熱電調諧探究相干非直接激子氣體。
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參考文獻：
Paik, E.Y., Zhang, L.,Burg, G.W. et al. Interlayer exciton laser of extended spatial coherence inatomically thin heterostructures. Nature (2019) doi:10.1038/s41586-019-1779-x
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1779-x
附：2019年的前10篇Nature
