突破尺寸极限：范德华材料MoSe2亚波长光栅中的光学连续谱束缚态及其高效三次谐波产生

《ACS Nano》：Optical Bound States in the Continuum in Subwavelength Gratings Made of an Epitaxial van der Waals Material

本文报道了一种利用分子束外延（MBE）技术生长的大面积、高质量二硒化钼（MoSe2）薄膜，并基于此设计和制备了能够支持光学连续谱束缚态（BIC）的超薄亚波长光栅。该研究克服了传统过渡金属硫族化合物（TMD）材料用于光电器件时尺寸小、厚度不均的瓶颈，在近红外波段实现了光场的强局域，并利用准BIC模式将三次谐波（THG）产生效率提升了超过三个数量级。这项工作为基于高折射率范德华材料的超紧凑、高效非线性光子器件开辟了新路径。

　　

引言：寻觅高性能光子集成材料

在光子学领域，实现光在亚波长尺度下的强局域与高效操控是迈向下一代超紧凑、低功耗光子器件的关键。光学连续谱束缚态（Bound State in the Continuum, BIC）作为一种特殊的非辐射谐振模式，能够在开放系统中将光完美地限制在微小体积内，理论上具有无限高的品质因子（Q因子），为纳米激光器、高效单光子源等应用提供了理想平台。

实现光学BIC通常需要在高折射率介质材料中引入亚波长的周期性结构。然而，传统半导体材料（如GaAs、Si）的折射率相对有限，且与常用基底的折射率对比度不足，限制了光学模式的束缚能力，也制约了器件的进一步微型化。同时，过渡金属硫族化合物（TMD）材料虽以其优异的光电特性和高非线性著称，但以往的研究多依赖于机械剥离获得的小尺寸薄片，难以满足大规模、均匀化光子器件制备的需求。

在众多候选材料中，二硒化钼（MoSe₂）脱颖而出。它在近红外波段（如1100纳米处）拥有高达4.4的折射率，同时吸收损耗可忽略不计，并且易于加工。这些特性使其成为构筑高性能近红外光子结构的理想选择。本研究的核心，便是利用分子束外延技术，克服了制备大面积、厚度均匀的MoSe₂薄膜的难题，并首次实验性地在基于该范德华材料的亚波长光栅中实现了BIC态。

设计与制备：从理论构想到精确实现

研究团队首先通过数值计算，为MoSe₂亚波长光栅的设计提供了蓝图。光栅的结构由三个关键参数定义：周期（L）、高度（h）和填充因子（F，即单个条纹宽度与周期的比值）。计算结果表明，当光栅高度h超过一个特定阈值h_min时，光栅中的反对称模式将演变为辐射损耗为零的BIC。基于此，研究人员选定了光栅参数：h = 42纳米，L = 500纳米，F = 0.8。该设计旨在使BIC的波长位于MoSe₂吸收极低的1100纳米附近，并确保足够的光场限制2 deposited on an Al₂O₃substrate. Geometry of the grating is defined by its period L, height h, and stripe width F·L, where F is a fill factor. (b) Cross sections of the light intensity distributions in five stripes of the MoSe₂subwavelength grating with the height h = 42 nm, period length L = 500 nm, and fill factor F = 0.8 for the antisymmetric and the symmetric modes.">。

实现这一设计的关键在于高质量MoSe₂薄膜的生长。研究采用分子束外延技术，以极低的生长速率（约每小时一个单层）在蓝宝石衬底上制备了厚度为42纳米、面积达数平方厘米的均匀MoSe₂层。随后，通过电子束光刻和干法刻蚀工艺，将薄膜加工成预先设计的亚波长光栅阵列。原子力显微镜图像证实了光栅结构的精确性2-based subwavelength grating with the height h = 42 nm, period L = 500 nm, and fill factor F = 0.79.">。

光学表征：揭示BIC的清晰证据

为了验证理论预测，研究人员进行了角分辨反射谱测量。结果显示，对于电场方向平行于光栅条纹的TE偏振光，反射谱中存在两个模式。其中一个模式（对称模式）波长约980纳米，表现出正常的正色散。另一个模式（反对称模式）则表现出反常色散，在1100纳米附近其谱线宽度随波矢k趋近于零而急剧变窄，最终在k=0处消失。这种线宽变窄与反常色散的结合，是BIC存在的典型特征2-based subwavelength grating for TE polarization (i.e., parallel to the stripes): (a) calculated and (b) obtained in the experiment, ... The BIC state is evidenced in TE polarization at around 1100 nm.">。

实验测得该反对称模式在接近正入射时的Q因子约为80。理论分析表明，Q因子主要受MoSe₂在1100纳米处的残余吸收限制，理想情况下可达到约150。进一步的验证来自偏振涡旋的观测。BIC在远场辐射的偏振图案中表现为一个涡旋中心。实验和数值模拟均清晰地展示了在BIC能量-动量点附近，反射光的偏振矢量方向发生了完整的2π旋转，这为BIC的存在提供了拓扑学上的决定性证据2-based grating in the minimum of its dispersion at λ = 1100 nm (a) obtained numerically and (b) determined from the angle-resolved reflectivity experiment.">。

非线性性能：三次谐波产生的巨大增强

BIC模式能够将光场强烈局域在微小体积内，显著增强光与物质的相互作用。为了展示这一优势，研究团队测量了MoSe₂亚波长光栅的三次谐波产生效率。在27度入射角下（此时BIC转化为耦合效率更高的准BIC），TE偏振光激发的三次谐波信号强度达到了相同厚度未结构化MoSe₂薄膜的1650倍，增强超过三个数量级2 layer-based subwavelength grating. ... (c) The wavelength dependence of the enhancement factor at a 27-degree angle for both polarizations. ... the TH signal intensity for TE polarization is increased by 3 orders of magnitude, with the enhancement factor reaching an impressive value of 1650.">。

这一显著的增强源于BIC模式对泵浦光场的巨大增强，以及MoSe₂本身固有的高三阶非线性。相比之下，在传统半导体如硅和砷化镓中，双光子吸收等效应会限制其在通信波段的应用，而MoSe₂则可能表现出可饱和吸收特性，更有利于光学开关等应用。

结论与展望

本研究成功设计、制备并表征了基于范德华材料MoSe₂的亚波长光栅，并首次在其中实验观测到光学连续谱束缚态。所制备的光栅厚度仅42纳米，是迄今报道的能承载BIC的最薄结构之一。这项工作不仅展示了利用分子束外延技术可规模化制备高质量、大面积的TMD光子结构，更通过将BIC与MoSe₂的高非线性结合，实现了高效的三次谐波产生。

未来，这一技术平台可以与TMD异质结构相结合，以进一步提升发光强度；或通过电子束辐照等技术，在光栅中确定性集成单光子发射器。MoSe₂与蓝宝石相近的热膨胀系数也保证了器件在实际应用中的高耐久性。尽管表面纳米柱的形成是目前规模化生产的一个挑战，但通过优化生长条件或采用机械抛光有望解决。总体而言，这项工作为利用高折射率范德华材料开发新一代超薄、高性能非线性光子器件和光子集成电路铺平了道路。