近期，我校信息光电子科技学院兰胜教授研究小组在硅基纳米材料发光的研究中取得重要进展。他们发现，如果采用飞秒激光激发特征尺寸为200 nm的硅纳米颗粒的电/磁偶极共振，则硅纳米颗粒可以实现非常有效的白光发射。他们提出了一种测量单个硅纳米颗粒荧光量子效率的实验方法，并且发现相比于体材料硅，硅纳米球的量子效率提升了将近5个数量级。
硅是常见的半导体材料，广泛应用于电子元器件、探测器、光波导和太阳能电池等领域，由硅基光源，波导，探测器和光开关等微纳光子学器件组成的集成光路被认为是替代现有集成电路最具潜力的方案。迄今为止，可集成的硅基光波导，光开光和探测器等均已实现，但能够采用现代硅工艺制备并且可以集成的硅基光源仍未解决，主要因为硅是间接带隙半导体，其辐射复合过程需要声子的参与，因此发光效率很低。多年来研究人员一直在寻求提高硅基材料发光效率的方法。尽管多孔硅和硅量子点的发光效率相对于体材料得到了很大的提升，但是它们与现代硅工艺并不兼容，且很难与其他硅基器件进行集成。
兰胜教授课题组近年来一直致力于半导体纳米材料非线性光学性质的研究。在2013年，他们采用飞秒激光烧蚀技术首次制备出由硅纳米颗粒自组装形成的硅纳米花（silicon nanoflower），发现硅纳米花在800 nm飞秒激光的激发下产生很强二次谐波，并且导致斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射 [The Journal of Physical Chemistry C 117, 24625 (2013)]。在2017年，他们发现GaAs纳米球在飞秒激光的激发下可以产生非常有效的热电子带内荧光 [Nano Letters 17, 4853 (2017)]。
利用飞秒激光激发硅纳米颗粒电/磁偶极共振产生有效白光发射的物理机制如图1所示。他们首先从理论上分析了增强硅纳米颗粒荧光的内在物理机制，利用电/磁偶极共振来增强硅纳米颗粒的多光子吸收同时利用电/磁四极共振来增强荧光发射。由于共振激发电/磁偶极可以在硅纳米颗粒中产生很高的载流子浓度，显著增强的俄歇效应大幅延长了载流子的非辐射复合寿命τnr，而电/磁四极的存在又减小了载流子的辐射复合寿命τr，二者共同作用导致荧光量子效率（η = 1/(1 + tr/tnr)）提升了将近5个数量级。
他们在实验上首次测量了：（1）硅纳米球或纳米柱在飞秒激光激发其电磁偶极共振时可以产生有效的白光发射；（2）单个硅纳米颗粒的荧光寿命约为52 ps；（3）硅纳米球的量子效率约为1.22%，相比体硅材料(~10−7)，提升了5个数量级。该研究从采用飞秒激光烧蚀制备的硅纳米球（silicon nanospheres）拓展到采用电子束曝光和离子刻蚀制备的硅纳米柱（silicon nanopillars），说明这种硅基纳米光源不但可以采用与现代硅芯片工艺兼容的技术进行制备，而且可以方便地与其他硅基纳米器件进行集成，为可兼容可集成硅基光源的研制开辟了新思路。
该研究成果以Lighting up silicon nanoparticles with Mie resonances为题，发表在Nature子刊Nature Communications [Nat. Communs. 9, 2964 (2018), IF = 12.353] 上。该论文第一完成单位为华南师范大学，第一作者为广州大学张成云老师，是兰胜教授的在职博士生，暨南大学徐毅副研究员为共同第一作者，华南师范大学兰胜教授与澳大利亚新南威尔士大学Andrey E. Miroshnichenko教授为共同通讯作者。中山大学刘进和李俊韬教授、兰胜教授的研究生李慧、向进和李锦祥参与了该项研究。
今年以来，兰胜教授研究小组还在硅纳米彩色显示 [Laser and Photon. Rev. 12, 1800032 (2018), IF = 8.529] 以及金纳米颗粒高阶等离子模式的电磁辐射 [Nanoscale 10, 9153 (2018), IF = 7.233] 的研究中取得了重要成果（http://nano.scnu.edu.cn）。上述研究得到了国家自然科学基金、国家重大研发计划、省基金重大基础研究培育以及省高水平建设等项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-05394-z
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-018-05394-z
作者/通讯员:张俊杰 | 来源:信息光电子科技学院 | 编辑:杨柳青
