文献前沿丨Adv. Mater.：基于连续谱束缚态的无需刻蚀的InSe光栅腔实现增强激子发光

光学腔对低维材料的光学特性优化具有重要作用，然而传统的腔体制备方法往往涉及刻蚀工艺，可能导致材料损伤或性能下降。近年来，InSe作为一种具有直接带隙特性的III-VI族层状半导体，在近红外光发射、光电探测和非线性光学等领域展现出巨大潜力。然而，InSe的发光效率受到面外激子的限制，导致其光致发光（PL）性能较弱。因此，如何增强InSe的激子发射，提升其光学特性，成为该领域亟待解决的关键问题。论文提出了一种基于无刻蚀的InSe微腔结构，并利用连续谱束缚态（BIC）增强激子-光子耦合，从而显著提高InSe的光发射效率。该设计通过在InSe表面引入高分子光栅结构，在无需刻蚀的情况下构建了高Q值的光学腔，实现了超过200倍的PL增强，并在非线性光学应用中表现出超过400倍的二次谐波（SHG）增强。本研究为优化层状半导体的光学特性提供了一种有效且可拓展的方法，为下一代光子器件、非线性光学应用和片上光源的开发提供了新思路。相关工作以Etchless InSe Cavities Based on Bound States in the Continuum for Enhanced Exciton-Mediated Emission发表在Advanced Materials期刊。

本研究提出了一种基于无刻蚀 InSe 微腔的高效激子发射增强技术，并设计了如图1所示的微纳结构，通过连续谱束缚态实现高Q值光学腔，显著提升InSe的光致发光强度（图2）。该器件利用光栅诱导的BIC形成高品质因子共振模式，避免了传统刻蚀工艺对材料的损伤，同时增强了激子-光子耦合。此外，研究团队采用高分子光栅与InSe薄膜的耦合设计，有效提升了光场局域性，使激子复合发光效率提高超过200倍（图3）。实验表明，该器件在不同激发功率下均表现出稳定的PL增强，并在非线性光学应用中实现了超过400倍的SHG增强（图4）。进一步研究表明，该微腔结构能够在不同温度下保持较高的光学品质因子和稳定的光发射性能（图5），验证了其在复杂环境中的适用性。该研究为低维半导体的光学调控、非线性光学增强和片上光子器件的开发提供了新思路，并为未来高性能光学腔结构的设计奠定了理论基础。

图1.光栅物理模型。(a)模型示意图：展示了在InSe薄片上方覆盖并图案化的聚合物光栅腔结构；(b)反射光谱模拟，表明该结构的共振特性；(c)光子带结构，其中包含BIC模态和GMR模态；(d)电场分布；(e)Q因子模拟；(f)远场辐射偏振态的方位角分布：对BIC频带的偏振特性进行了模拟，进一步确认了BIC模式的存在。

图2.InSe的光学特性。(a)InSe的能带结构示意图；(b)InSe的角分辨PL光谱；(c)InSe上聚合物光栅腔的光学显微镜图像；(d)SEM图像；(e)设计的光栅腔模拟角分辨反射光谱；(f)实验测量的角分辨反射光谱。

图3.PL增强测试。(a)PL谱比较；(b)不同厚度InSe的增强因子；(c)PL发射的偏振特性；(d) PL的角分辨特性；(e)X-X散射过程的增强；(f)PL峰随温度变化的趋势。

图4.SHG增强测试。(a)SHG光谱比较；(b)SHG功率依赖性；(c)不同厚度InSe样品的SHG增强因子；(d)SHG的偏振依赖性；(e)不同谐振波长的SHG增强；(f)设备稳定性。

图5.柱状腔模拟结果。(a)柱状腔的结构示意图；(b)柱状腔的SEM图像；(c)柱状腔的模拟光子带结构；(d)角分辨反射光谱；(e)柱状腔对PL的增强；(f)柱状腔对SHG的增强。

小结：综上所述，本文设计了一种新的无刻蚀聚合物光学腔，可以有效增强InSe材料的光发射。这个腔体能够与InSe中的出平面激子强烈耦合，并将本来较弱的OP偏振光转换为更强的、垂直于表面的PL信号。实验结果表明，这种光栅腔结构使PL强度提升了218倍。除了提升PL强度，该聚合物腔体还将InSe的SHG信号增强了404倍，展示了在非线性光学领域的应用潜力无蚀刻腔设计可以进一步扩展到光栅以外的其他纳米结构。这一研究为提高OP激子的光学性能提供了一种可行而有效的方法，为先进的线性和非线性光子器件铺平了道路。

论文信息：Chen W, Zhu S, Cui J, et al. Etchless InSe Cavities Based on Bound States in the Continuum for Enhanced Exciton‐Mediated Emission. Advanced Materials, 2025: 2500226.

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