摘要：Xueli Sun, Qin Ling, Ruonan Miao, Huaxin Wu, Jiyang Fan. Purcell-enhanced picosecond emission in semiconducting 4H/6H-SiC monocrys

Xueli Sun, Qin Ling, Ruonan Miao, Huaxin Wu, Jiyang Fan. Purcell-enhanced picosecond emission in semiconducting 4H/6H-SiC monocrystalline nanowire forest microcavity[J]. Advanced Photonics Nexus, 2025, 4(5): 056006

碳化硅（SiC）作为典型的第三代宽禁带半导体，因其优异的光电特性而在高功率和高温电子器件、可再生能源系统和精密磨料等领域展现出重要的应用价值。近年来，碳化硅纳米线因其独特的低密度特性、出色的抗辐射和抗氧化能力、良好的介电性能和突出的微波吸收能力等，在耐高温微纳电子和光子集成器件和传感器等领域具有广阔的应用前景。精确可调控的碳化硅纳米线阵列，在低维光波导和光源、光学传感等精密光学器件中具有应用潜力。目前，基于碳化硅的光学谐振腔主要包括光子晶体谐振腔、微环谐振腔和微盘谐振腔。碳化硅纳米线在光子学领域的研究和应用仍处于探索阶段，如何充分利用碳化硅固有的优异物理性能和丰富的光学活性点缺陷，实现大规模制备能自然集成于光子器件中的碳化硅纳米线，仍具有挑战性。

图1 森林状、整体单晶的（a）4H-SiC和（d）6H-SiC纳米线的SEM图及其直径分布图。（b）4H-SiC和（e）6H-SiC纳米线阵列的AFM图和高度分布图，（c）4H-SiC和（f）6H-SiC单晶及纳米线阵列的XRD图。（g）具有谐振腔结构的4H-SiC森林状纳米线阵列的SEM侧视图。（h）激光激发SiC 纳米线阵列产生腔模发光的示意图

东南大学范吉阳教授课题组通过精确调控阳极氧化参数，制得具有森林状结构的4H/6H-SiC纳米线阵列（图1）。这些纳米线表现出宽光谱法布里–珀罗腔模光发射。其独特的结构使得纳米线上、下表面薄膜层自然构成微腔，导致出现多腔模发光（图2）。法布里–珀罗腔的共振模具有远高于自由空间的光子态密度，由此产生的珀塞尔效应显著增强纳米线的自发辐射，使其光致发光寿命从自由空间的1.67 ns缩短至20 ps。理论计算证实了腔模的存在及其对发光谱的调制作用。这为实现基于碳化硅纳米线的光子器件提供了思路。

图2 在532 nm激光激发下的（a，b）4H-SiC纳米线和（c, d）6H-SiC纳米线的多腔模发光谱。（e）和（f）为光学显微镜图。（g）给出在（e）和（f）中标记位置处光谱的腔模分布

实验表明，4H和6H晶型碳化硅单晶只具有微弱的发光，而它们的纳米线阵列的发光则变得很强。纳米线具有比块体大得多的比表面积，所以含有大量的表面缺陷，这导致它们出现宽光谱范围的腔模发射，蓝色、绿色、和红黄色发光分别来源于和C=O、C–O–C以及Si=O基团相关的表面缺陷态，更复杂的表面缺陷量子态还导致在650 nm附近出现微弱发光。

图3（a）4H-SiC纳米线和（d）6H-SiC纳米线的光致发光随温度的变化（激发波长：325 nm）；（b, c）4H-SiC纳米线和（e, f）6H-SiC纳米线的光谱的峰值波长和强度随温度的变化

不同于通常半导体光谱对温度的依赖，在325 nm光激发下，当温度升高至约200 K时，4H和6H-SiC纳米线的发光都出现明显的台阶跃变式增强（图3）。这种罕见的温度依赖关系可能是非辐射跃迁通道被抑制所导致的。另外，4H和6H-SiC纳米线在紫光波段的发光具有不同的温度依赖性，表明两种晶型的碳化硅纳米线的表面结构存在差异。

通过对接触电势差和紫外光电子能谱的分析，发现4H-SiC纳米线具有较小的功函数。考虑到这些碳化硅纳米线的直径足够大，所以它们只具有微弱的量子限制效应，因而其带隙和单晶的带隙差别很小。考虑到这些因素，给出了碳化硅纳米线的相关能带结构，发现它们仍具有n型导电。4H和6H-SiC纳米线的电子亲和能和电离能差异显著，暗示它们可具有不同的应用。

森林状碳化硅纳米线阵列展现出多腔模宽光谱自发辐射，是潜在的研究腔量子电动力学的原型结构；它们为实现微纳尺度固态微光源和光子器件集成提供了可能，具有能够和现有碳化硅芯片相集成的特色；该结构在场致电子发射、高灵敏度传感和微波吸收等领域也具有应用潜力。

范吉阳，东南大学物理学院教授。主要研究领域为半导体材料物理和纳米光子学。已在PHYS. REV. LETT.、APPL. PHYS. REV.、NANO LETT.、SMALL、APPL. PHYS. LETT.、J. PHYS. CHEM. LETT.等期刊发表八十余篇SCI论文。在德国Springer出版社出版合著学术专著一部（出版社网站被在线下载1.6万余次， “among top 20 percentcited books in all of Springer’s collection” ）。2013年入选教育部 “新世纪优秀人才支持计划” 。作为完成人之一的项目 “半导体微纳结构光致发光机制与拉曼散射研究” 获2017年度教育部自然科学奖一等奖。

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来源：宽禁带联盟