传统材料的新机遇：GaAs基纳米线的光学性质及其激射

GaAs作为第二代半导体材料，因其直接带隙的性质及较高的电子迁移率，被广泛应用于发光、探测及光伏器件等领域。低维GaAs基材料在光电集成器件中展现出极大的潜力，尤其是其一维纳米线结构，可同时作为增益介质和波导，在半导体激光应用中具有天然优势。但是，相比于工作在紫外和可见波段的纳米线激光器，近红外波段的GaAs基纳米线激光器的实现相对比较困难。

在过去的几十年中，GaAs基纳米线研究领域发展迅速。GaAs基纳米线的生长机制得到了广泛的研究，通过精确地控制生长条件可以得到高质量的GaAs基纳米线，材料光学性质的研究也取得了较大进展，许多提升及调控其光学性质的方法得到应用，GaAs基纳米线的室温激射得以实现。得益于外延技术的发展，涌现出许多新颖的纳米线量子阱结构，并且可以通过对GaAs基纳米线参数的控制实现对其激射性质的精确调控。

GaAs基纳米线激光器示例

南方科技大学电子与电气工程系陈锐教授的科研团队在SCIENCE CHINA Materials发表题为“Optical property and lasing of GaAs-based nanowires”的综述文章，着重介绍了GaAs基纳米线的最新进展，特别是GaAs基纳米线的光学性质和激射特性。

材料维度的降低常伴随着异于体材料的性质。例如，GaAs基纳米线中往往会出现稳态的ZB（闪锌矿）结构和亚稳态的WZ（纤锌矿）结构同时存在的混相结构。如何得到纯相的GaAs基纳米线是其进一步发展面临的一大难题。该文简单回顾了近年来GaAs基纳米线的合成制备及其发展过程。从纳米线的生长机制出发，综述了纳米线晶相控制的相关工作。

尺寸降低同时带来了更大的比表面积，使GaAs基材料的表面态问题更加显著。文章详细讨论了GaAs基纳米线的多种特殊的光学性质，并从减少非辐射复合和增强发光两方面讨论了GaAs基纳米线光学性质的提升方法。

得益于纳米线的一维结构，GaAs基纳米线可以形成天然的Fabry-Pérot腔，这为实现GaAs基纳米线的激射创造了条件。该文对GaAs基纳米线激射特性进行了梳理，讨论了GaAs基纳米线激射的多种实现方式及影响因素。外延技术的发展及纳米线生长机理的明确使复杂结构GaAs基纳米线的生长成为了可能。在GaAs基纳米线中存在沿轴向和径向构建的两种不同量子阱结构，文章分别对此进行了讨论，并且对GaAs基纳米线光学增益、激射波长等性质的调控方式进行了介绍。最后对GaAs基纳米线激光器的未来发展提出了见解与展望。

该研究成果最近发表于Science China Materials, 2020, 10.1007/s40843-020-1288-6。

论文地址：https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-020-1288-6