1.1 项目背景

随着信息技术的极速发展，电子器件运行速度剧增，通过将光学器件集成到硅基上意味着更快的信息传输速率以及更低的能耗，由此构建出的光芯片将突破电子芯片的瓶颈。然而这对晶圆片上的异质集成技术也提出了更高的要求。更小的体积和更高的集成度将挑战到晶体材料与光电器件的化学物理极限。其中，纳米激光器作为片上光电子领域的重要部件，广泛应用到片上全光通信、光计算和光传感。尽管纳米激光器的研究目前受到越来越多的关注，但仍缺乏具有最小体积的高效增益介质，因此其极限性能包括高能效的应用和设备的尺寸仍有极大的提升空间。

二维半导体材料尤其是层状TMDs材料的出现，为发展纳米激光器件提供了丰富的机会，这得益于其出色的激子特性以及极限的尺寸，因此二维TMDs成为最薄的光增益材料的最佳选择，加之其易于与其他器件集成，从而在该领域展现出巨大的应用潜力。然而，目前基于单层或少层同质二维材料激光的演示无法达到光通信最低传输损耗的C波段（1530 nm-1565 nm），本质上受限于材料本征的且难以调谐的较大光学带隙。而基于Ⅱ型能带排布的二维范德华异质结的层间激子有潜力实现C波段的受激辐射，其不仅具有单个材料组分所不具备的更窄的带隙，而且具有更大的电场可调谐的偶极矩，能够成为面向通信波段的可调谐激光的高效增益介质。然而异质结构的构建主要以机械堆叠为主，不可避免地在异质界面处产生污染，对异质结的光电特性产生严重影响。因此亟需一种界面清洁且能带排布可调的异质结构建方法。此外，进一步将其耦合到高品质因子的谐振腔，并结合外加电场，实现室温下通信波段尤其是C波段的电可调谐激光将是本项目的最终目标。然而受限于目前的加工和集成技术，微型谐振腔的制造以及材料与谐振腔的高效耦合是另一大难题。

本项目将从高质量二维异质材料的开发以及与微型谐振腔的集成这两个方面作为突破口。通过掺杂在同一异质结构材料体系实现层间激子发射在通信波段1200 nm到1700 nm的全覆盖，解决二维材料激子发射波段难以突破900 nm以上的难题。进一步，针对激子发射在O波段、E波段、S波段、C波段以及L波段的异质结，分别设计并制造具有高Purcell增强因子和高品质因子（Q）的纳米谐振腔，在室温下实现窄脉宽（<100 fs）和高重频（>80 MHz）的脉冲激光，并通过电调谐进一步实现激光波长范围（＞150 nm）的精确控制。本项目将为基于二维材料的高性能、易集成的纳米红外激光器提供新的范式，同时也将为二维材料集成到硅光子平台开辟道路。

1.2现有成果情况

申请人具有丰富的二维材料生长经验，前期工作已经实现了二维双层MoS2的可控生长，可以生长MoS2/WS2，MoS2/MoSe2等异质结[CERAMICS INTERNATIONAL, 2021, 47, 30106; NANOSCALE, 2021, 14, 1990.]。此外，申请人及合作者成功掌握了新型二维异质结材料Ag2Te/WSe2的生长工艺[SMALL, 2023, 19, 2]，并探讨了其在光电探测器、场效应晶体管等领域的应用。在铁、钼、锰、钴基等层状和非层状二维材料的合成及光电器件的制备方面也取得了一定的研究进展[SMALL, 2023, 19, 23; J. Mater. Chem. C, 2023,11,1464.]。申请人近期突破性地实现了基于二维半导体异质材料的通信波段激子器件的开发和演示，成果发表于国际顶级期刊ADVANCED MATERIALS (DOI：10.1002/adma.202404371)。这为基于二维材料的通信波段的激光器的构建提供了坚实的材料基础和经验。

申请人初步验证了可以利用轰击和修复的方法实现MoS2/MoS2(1-x)Te2x双层范德华异质结的构筑。目前已经拥有电子束曝光系统等全套微纳加工与光电器件测试条件。目前有合作成员15人，熟练掌握半导体微纳加工工艺与光电器件仿真能力。在项目执行期间，会有3名博士研究生、6名硕士研究生与2名工作人员（助理研究员）加入此项目研究，从人力上保证项目进度。

1.3预期成果及经济社会生态效益

本项目所研发的二维半导体通信波段纳米激光器预期应用于光芯片的信号光源以及量子通信技术领域的发射器，是国家“十四五”规划纲要中科技创新领域重点强调的内容。

本项目以合成的高质量二维半导体异质结为主要研究对象，聚焦通过掺杂在同一异质结构材料体系实现了层间激子发射在通信波段1200 nm到1700 nm的全覆盖，突破单独的二维材料层内激子发射波段难以突破900 nm以上的难题。进一步，通过将二维异质结构集成到纳米谐振腔，能够解决传统通信波段激光器不易集成到硅基的难题，进而实现在室温下可调谐通信波段的纳米激光器的演示，这将为光芯片的构建提供高质量的信号光源，显著提升光芯片的性能和可通用性。作为光学、电子学和材料等多学科融合交叉的基础研究，本项目的研究成果将申请国家发明专利和发表高质量学术论文，相关工作预期将产生具有自主知识产权的原创性成果，在国内外顶级专业期刊发表SCI 学术论文2-3篇，申请国家发明专利3-5 项。

揭榜方应有稳定的人员队伍，具备实施项目所需的研发实力，揭榜方需在3年内稳定提供经费支持需求方购买光学谐振腔的制造和加工设备，包括沉积、刻蚀以及曝光设备，同时还需购买针对谐振腔结构的建模分析、仿真的软件，所需经费共预计800000.00元；此外，揭榜方需提供设备运转场地90 m2。

同时，揭榜方需拥有较强的成果推广应用队伍，能积极开展示范应用，在揭榜的项目领域具有较强的市场背景。