〈研之有物〉突破光学极限，打造纳米雷射元件──吕宥蓉

作者：来源：cnyes 2019-08-10 12:06:06

电浆光子纳米雷射研究如同摩尔定律的预测般，电晶体元件的尺寸在过去数十年间不断缩小至纳米尺度，带来了科技与工艺的精进创新。但发光与雷射元件，却受限于绕射极限而难有突破。然而，中研院应用科学研究中心的吕宥蓉助研究...

电浆光子纳米雷射研究

如同摩尔定律的预测般，电晶体元件的尺寸在过去数十年间不断缩小至纳米尺度，带来了科技与工艺的精进创新。但发光与雷射元件，却受限于绕射极限而难有突破。然而，中研院应用科学研究中心的吕宥蓉助研究员，在硕博士时期与团队不断突破光学和自我极限，成功开发出半导体纳米雷射。

中研院吕宥蓉博士与团队所开发的电浆光子纳米雷射，利用金属与介电质之间会产生表面电浆极化子的特性，成功开发出史上最小的半导体纳米雷射。摄影│廖英凯雷射的原理与光学绕射极限1916 年，爱因斯坦首次探讨描述了原子有“自发辐射”与“受激辐射”的可能性。他认为被激发的高能态原子，会有两种回到低能量状态的过程。一种是自行释放出光子而回到低能态的自发辐射；另一种则是如果照射“特定波长”的光子，可以刺激原子提前释放出，与原照射光波长相同光子的受激辐射。

1958 年， Charles H. Townes 在分子光谱学的研究中，构想出可利用“受激辐射”的原理来得到指定波长的光；他的同事 Arthur L. Schawlow 提出在激发出光的物质两端，装上两面反射镜，让激发光不断在物质内部来回来反射，由于“受激辐射”的发射速率超过吸收速率，通过此构想，便可实现光放大效应，让指定波长的光不断地增强。

1960 年， Theodore Maiman 实践“利用受激辐射的原理来得到指定波长的光”这个理论，成功开发出“红宝石雷射”。图片来源│wikipedia1962 年， Robert N. Hall 等人，提出利用外加偏压，让半导体中价电带的电洞与导电带的电子产生能阶差，当高能阶的电子跃迁回价电带与电洞结合时，能量便会以“光子”的形式释出，释出的光子会在半导体 PN 接面之间，因为半导体的光滑晶格面，而不断反射累积光能量，形成“共振腔”的结构，而设计出“半导体雷射”。

今日我们所称的“雷射 (LASER) ”，就是“受激辐射所产生的光放大 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ”的缩写。

“雷射”其原理是先利用辐射，刺激特定的物质，让物质内原子受到激发，使其最外层的电子跃迁至较高的能阶。

雷射产生示意图。资料来源│雷射知识网图说重制│廖英凯、张语辰当电子处于高能阶时，再给予特定频率的辐射 (光) 照射，而使电子跃迁回较低的能阶，并释放出与照射光相同频率的光子。如果，我们将产生光子的原子，利用两个设置于雷射物质两端的反射镜，让光子在雷射物质内来回反射，而继续激发更多的电子跃迁，就能够不断累积同频率的光子。

在这两面反射镜中，其中一面能完全反射光子，另一面则允许小部分光子穿过，所穿过的光子束即为雷射，具有发散低、功率高的特性。小至单一晶片的二极体雷射，大至用作促成核融合的釹玻璃雷射，都是雷射的应用尺度。

然而，对于微电子元件的设计上，雷射元件的“微型化”一直有其阻碍。这是由于能促成雷射功率不断放大增强的关键，是由两个具有反射效果的反射镜或反射材质，所组成的共振腔。

在过往的研究中，共振腔受到“绕射极限”的限制，最短需要半个波长的大小，以波长 650 纳米的红光雷射来看，共振腔的长度至少需要 325 纳米。相比起今日各类电晶体元件已能做到十几纳米的尺寸，光子元件的微型之路，因为光学“绕射极限”这个基本物理限制，而遭受到了阻碍。

电浆子共振腔缩小雷射元件的体积以“电浆子共振腔”取代“传统光学共振腔”，就能将雷射元件体积减少到远小于可见光波长的纳米尺度！

2012 年，还在就读清华大学物理学系博士班二年级的吕宥蓉，在果尚志教授的研究团队中，将“单根氮化銦鎵纳米柱”与“电浆子共振腔 (plasmonic cavity)” 结合，取代传统光学共振腔，将雷射元件体积减少到远小于可见光波长的纳米尺度，开发出史上最小的电浆光子纳米雷射。并证明利用电浆子共振腔，可使半导体雷射元件不受限于光学绕射极限，而能大幅缩小雷射元件尺寸。

电浆光子纳米雷射的微观结构：由下而上是矽基板上的磊晶银膜、二氧化矽介电层、氮化銦鎵核壳结构纳米柱。图片来源│Lu, Yu-Jung, et al. “Plasmonic nanolaser using epitaxially grown silver film." science 337.6093 (2012): 450-453. 图说重制│廖英凯、张语辰这是由于研究团队所开发的电浆光子纳米雷射中，对于雷射功率的增益，并非利用传统由两面具有反射效果的材质所组成的光学共振腔，而是改以“电浆子共振腔”取代。

电浆子共振腔是由“金属－氧化物－半导体 (Metal-Oxide-Semiconductor, MOS) ”所组成的纳米结构。这是利用金属在与介电质 (氧化物) 的交界面，会有形成表面电浆极化子 (surface plasmon polariton, SPP) 的特性。

因此，研究团队在矽基板上，与德州大学奥斯丁分校物理系施志刚教授合作，利用磊晶技术长出一片原子层平坦的银膜 (Epi-Ag film) 作为低损耗的电浆子传递平台，在其上镀一层五纳米厚的二氧化矽 (SiO2) 作为低折射率的介电层，最后放上利用分子束磊晶技术制作的氮化銦鎵／氮化鎵核壳结构纳米柱 (InGan#GaN core-shell nanorods) 作为雷射必须的增益介质。

氮化銦鎵／氮化鎵核壳结构纳米柱是一个各边边长 30 纳米的六角形晶柱。当外加能量激发纳米柱时，氮化銦鎵会释放出“光子”。这些光子，与银膜和二氧化矽介电层之间的表面电浆极化子共振频率均在“可见光”波段，光子与表面电浆极化子之间并有一对一的对应状态，能让光子与表面电浆极化子产生耦合形成混成态。

表面电浆极化子的色散关系。当波向量（电子动量）较低时，表面电浆极化子的色散曲线（红线），近似于光子（蓝线）图片来源│ScottTParker 图说重制│廖英凯、张语辰这让“光子”因为与“电浆子”耦合，而被局限在“二氧化矽介电层”之中不断累积能量，如同传统雷射的光学共振腔，但却不受绕射极限的限制。

光运算、光通讯效能有机会大幅提升不受绕射极限的电浆共振腔，让雷射元件的尺寸大幅缩小至数十纳米的级别，不仅尺寸上与今日积体电路制程常用的“互补式金属氧化物半导体 (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS) ”可互相匹配，且同为 MOS 的结构。

“电浆子纳米雷射元件”的发明，意味我们将有机会在电子元件的架构上，利用雷射元件发展高速、宽频、低功耗的光运算器与光通讯系统。

突破光学的绕射极限，为光运算与光通讯时代奠定了关键的基础。但吕宥蓉认为这个领域在未来仍有许多有待发展的方向，例如研发“电激发光”的纳米雷射来取代现有的“光激发”纳米雷射；或是将雷射的应用环境，从目前主流的低温研究拓展至室温中，可为未来在积体电路上整合光电元件有所助益。

另外，该研究也有助于在生物医学应用上发展超高解析生物影像；在材料上减少贵金属的使用，改研发低损耗的陶瓷电浆子材料──氮化鈦、氧化銦锡、氮化鋯，此为在美国加州理工做博士后研究两年期间获得的灵感。同时因应目前单光子材料开始受到重视，吕宥蓉也计划研究可以电压控制之单光子的行为。

最终能更理解材质与光的特性，化为操作光的技术，应用至生物感测器、量子电脑、可挠式显示器等尖端科技。

“我喜欢思考有什么可以做，并真的做出来！”杰出的研究成果与高瞻远瞩的发展眼光，往往来自长年努力的累积与幸运的眷顾。吕宥蓉在硕二、博一期间连续在以第一或主要作者，登上 APL 封面论文，博二时更以不受限于光学绕射极限的“电浆光子纳米雷射”研究成果，刊登于 Science 期刊。

面对如此进展迅速的研究成果，吕宥蓉谦虚地表示，这其实没有什么特别的秘诀，也不能算是进展比别人快，只是把一天 24 小时当成 36 小时用，牺牲了睡眠与娱乐机会，才能有这些成果。

奋不顾身的研究投入，植基于对科学的热爱、对自我专长的理解、与环境的支持。吕宥蓉从大学期间，就发现自己热爱实验与仪器组装、操作，喜欢想像并尝试各种材料与理论的组合。更重要的，是求学期间指导教授果尚志老师，认为研究生应有独立研究能力与追求科学价值的治学理念。

并不见学霸般地狂气，难以忽视的亮丽外型更不掩对科学探索的赤子之心，与对无垠知识的好问则裕。(备注：此光学桌并非本文所提之纳米雷射，而是吕宥蓉团队正在进行的光学研究。) 摄影│廖英凯知止而后有定，定而后能静，静而后能安，安而后能虑，虑而后能得。

吕宥蓉特别引用了《大学》里的前人智慧，与同在研究之路上的学弟妹们勉励，也为今日的成就下了安心踏实的注脚。

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〈研之有物〉突破光学极限，打造纳米雷射元件──吕宥蓉

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