基于以上研究背景，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張青課題組研究了InSe室溫近紅外激射行為，揭示了激子-激子散射誘導(dǎo)的增益機制，探究了靜水壓調(diào)控近紅外區(qū)熒光激射性質(zhì)。相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Nano. 2022, 16, 1477-1485，題為“Room-temperature Near-infrared Excitonic Lasing from Mechanically Exfoliated InSe Microflake”，和Nano Letters. 2022, 22, 3840-3847，題為“Engineering Near-Infrared Light Emission in Mechanically Exfoliated InSe Platelets through Hydrostatic Pressure for Multicolor Microlasing”，第一單位均為北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。

利用機械剝離的InSe微米薄片，張青課題組首先展示了室溫近紅外微納激光，其凈光學(xué)增益達到1029cm⁻¹（ACS Nano. 2022, 16, 1477-1485）。基于溫度、功率依賴熒光光譜，發(fā)現(xiàn)激子-激子散射是InSe微納激光的增益來源。此外，他們結(jié)合激光直寫技術(shù)加工出InSe微盤腔，激光閾值下降超過60%。以上結(jié)果為未來開發(fā)低功耗的片上近紅外激光源提供了新的思路。該工作第一作者為材料科學(xué)與工程學(xué)院2021級普博生李淳。該工作還得到了北京大學(xué)高宇南研究員、武漢大學(xué)曹強研究員、中科院半導(dǎo)體所魏鐘鳴研究員和張俊研究員的幫助。

（a）機械剝離InSe薄片的激射光譜。插圖分別為InSe薄片光學(xué)圖像和激子-激子散射示意圖；（b）InSe納米片發(fā)光的焦平面成像（強度歸一化），白色虛線對應(yīng)強度曲線顯示面外激子發(fā)光占比達97%

進一步，張青課題組與魏鐘鳴和西南大學(xué)汪敏副教授課題組合作，利用金剛石對頂砧對InSe自發(fā)輻射和熒光激射實現(xiàn)了寬譜靜水壓調(diào)控，兩者的調(diào)控范圍可達185nm和111nm（Nano Letters. 2022. 22, 3840-3847）。基于第一性原理計算，揭示了InSe的壓致波長藍移主要來自于面內(nèi)In-Se鍵的壓縮。此外，InSe在靜水壓作用下的自發(fā)輻射強度演變可分為三個階段：（1）小于1.3 GPa時，熒光強度由于壓力誘導(dǎo)晶格畸變而降低；（2）1.3-4.7 GPa時，激子結(jié)合能增加，熒光強度逐漸恢復(fù)；（3）大于4.7 GPa時，由于直接-間接帶隙轉(zhuǎn)變，熒光強度下降直至淬滅。該工作為近紅外波長可調(diào)光學(xué)和光電器件提供了新的思路。第一作者為材料科學(xué)與工程學(xué)院2018級普博生趙麗云和2019級直博生梁印。此工作還得到了中科院半導(dǎo)體所張俊研究員和國家納米科學(xué)中心劉新風(fēng)研究員的幫助。

（a）靜水壓調(diào)控機械剝離二維InSe薄片發(fā)光示意圖;（b）PL光譜隨壓力變化的2D彩色圖像

此系列工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、北京市自然科學(xué)基金等項目的經(jīng)費支持。