微腔光学半导体材料

20250117

制造业

高质量半导体制备与微腔加工：发展了溶液处理选区同质外延生长工艺制备高质量钙钛矿单晶及阵列结构；发展了基于电子束曝光、反应离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀等可控加工工艺制备基于钙钛矿、二维半导体、氮化硅等材料的光学连续域束缚态微腔、表面局域势调控平板微腔等新型光学微腔。目前该部分科技成果所属阶段为实验室研究阶段，成果转化状态为未转化。 半导体微腔激光构筑：发展了高增益低损耗钙钛矿半导体材料，材料增益达到5077 cm-1，损耗低至0.35 cm-1；实现了高增益低损耗连续域束缚态微腔激光，工作温度达到298 K，在1 kHz 80 fs脉冲激光照射下，连续域束缚态激光器件阈值9.6 uJ/cm2；实现了连续光泵浦激子极化激元激光，工作温度达到298 K，激光阈值0.53 W/cm2，具有高稳定性（T50工作寿命为120小时）；构建了连续光泵浦钙钛矿亚微米激光光源，其器件面积低至0.65 μm2，阈值为0.84 kW/cm2。目前该部分科技成果所属阶段为实验室研究阶段，成果转化状态为未转化。 光学微腔传感器设计：设计了应用于生物和化学免标记传感的氮化硅基连续域束缚态微腔光学折射率传感器，理论传感灵敏度达231 nm/RIU，折射率传感品质因数达108/RIU，揭示了连续域束缚态微腔结构与传感灵敏度的对应关系；制作了微腔气体免标记光学微腔传感器，O2检测灵敏度40 ppm；制作了连续域束缚态微腔传感器，对D-葡萄糖水溶液检测灵敏度53 nm/RIU，传感品质因数26.5。目前该部分科技成果所属阶段为实验室研究阶段，成果转化状态为未转化。

本项目科技成果涉及一种新型微腔激光与传感技术，利用高增益半导体实现微腔激光光源并进一步构建高灵敏度传感器，能够原位、远距地实现对物理、化学、环境等多种参数的高精度实时监测。该科技成果不仅在工业监测、疾病诊断、环境保护、安全监测等领域具有广泛的应用前景，同时具备极高的市场价值和商业化潜力。为了实现该科技成果的快速转化与市场应用，特向拟合作方提出以下合作需求： 资金支持：为加速微腔激光与传感技术的开发与转化，拟合作方需提供资金支持。初期资金将主要用于技术优化、实验平台搭建、原型设备开发与市场验证等方面。预计初期资金需求为人民币1500万元，其中60%用于技术研发与设备制造，25%用于市场应用测试与推广，15%用于知识产权保护及团队建设。 场地要求：拟合作方需提供适合微腔激光与传感器产品研发和生产的场地。研发场地应包括至少300平方米的实验室，配备先进的材料制备加工设备、光学实验设备和精密仪器，以支持半导体增益材料合成、光学微腔加工、激光系统的精密调试与传感器的性能测试。生产场地则需具备小规模生产条件，面积不少于1000平方米，能够容纳设备组装、测试与生产线的建设。 设备需求：为了将微腔激光与传感技术进行规模化生产，拟合作方需提供半导体增益材料合成设备、微腔加工设备、光学元件加工设备、传感器组装设备等相关生产设备，并配备微纳光学测试平台。预计初期设备投资预算为2000万元，后续可根据生产需求逐步增购升级设备。 人员配置：该科技成果的成功转化需要一支高水平的技术团队支持，拟合作方需提供具备半导体材料制备与加工、微纳激光测试、传感器研发与集成、光学系统设计、电子工程等多方面专长的人员。初期建议配备至少20-30人的研发团队，包括激光物理学专家、材料研发工程师、传感器设计工程师、光学系统调试技术员等。后续还需根据项目进展和市场需求扩充生产、质量控制、销售与售后团队。

可国（境）内外转让

本项目科技成果通过光电子和生命健康的有机结合，交叉融合了光谱学、微细加工及纳米技术、光电器件等领域，凭借其在激光微腔设计、光学调控、精密传感等领域的优势，具有极高的市场应用潜力。该技术能够带来显著的经济效益与社会效益。具体分析如下： 在经济效益方面，本项目科技成果的转化将满足当前相关市场规模与需求的增长。随着全球工业自动化、智能制造、环保监测、智能医疗等领域的快速发展，对高精度、微型化传感器的需求不断攀升。微腔激光与传感技术凭借其小型化、高灵敏度、高稳定性等特点，能够满足多领域对高性能传感器的需求，其市场前景广阔。例如，在工业自动化与智能制造中，现代生产过程中，需要对设备进行实时监控以确保生产过程的稳定性与安全性。微腔激光传感器能够在高温、高压等恶劣环境下进行高精度测量，因此在智能制造领域的应用前景巨大。根据市场调研，预计到2026年，全球工业传感器市场将达到300亿美元。其次，在环境监测与污染防治方面，随着环保政策的日益严格与公众环保意识的提升，环境监测设备需求持续增长。微腔激光传感器可用于大气污染监测、温室气体检测、水质监测等方面，尤其适用于高灵敏度、实时在线的环境检测。预计在未来五年内，全球环境监测市场将以约8%的年均增长率发展。此外，在医疗诊断与健康监测领域，随着人们对健康管理的重视，医疗领域对于精确诊断工具的需求日益增加。微腔激光与传感技术具有非侵入性、实时性、灵敏度高等特点，能够应用于血糖监测、病理检测、早期癌症筛查等医疗检测设备中。预计医疗传感器市场将在未来五年内超过400亿美元，并呈现快速增长态势。 微腔激光与传感技术在上述多个领域的应用需求将带动其市场规模的不断扩大。通过技术转化，预计能够在未来5年内实现销售收入超过1亿元人民币，为公司带来显著的经济效益。此外，本项目科技成果的转化不仅直接带动该技术本身的市场需求，还能够促进相关产业链的发展。对于原材料供应链，该技术对高质量材料、光学元器件、微电子元器件等有较高的需求，将推动相关原材料供应商的发展，促进产业上下游的合作。对于制造业的技术升级，微腔激光器和传感器的生产过程需要高精度的加工设备和严格的质量控制，推动制造业技术升级，并带动相关高端装备制造业的发展。 在社会效益方面，本项目科技成果的转化，第一可提升环境保护与可持续发展能力。微腔激光与传感技术可广泛应用于大气污染监测、温室气体排放检测、水质监测等环境保护领域。通过高精度的传感器，能够实时监测环境污染状况，提供精确的数据支持，帮助政府和企业制定更为科学、精准的环保措施，推动环保政策的落实与执行。此外，该技术的应用还将有助于改善空气质量、减少温室气体排放，促进社会的可持续发展。 第二，可助力健康医疗与生命科学发展。微腔激光与传感技术在医疗健康领域的应用具有巨大的社会价值。通过非侵入性的实时监测，能够实现疾病的早期筛查与诊断，尤其是对于糖尿病、癌症等慢性病和恶性肿瘤的早期检测具有重要意义。这将为提高国民健康水平、降低医疗费用、减少医疗资源浪费、提高生命质量做出积极贡献。 第三，可促进科技创新与国家技术自主。随着微腔激光与传感技术的突破与应用，能够推动我国在激光技术、光电传感技术等领域的自主创新水平，提升我国在全球科技竞争中的话语权与影响力。同时，借助该技术的转化，可以减少对国外高端传感器与激光技术的依赖，提高国家在相关高科技领域的自主研发能力。 第四，可推动智能制造与产业升级。微腔激光与传感技术能够广泛应用于智能制造领域，为传统制造业的智能化转型提供技术支持。通过微型化、智能化的传感技术，能够实现对生产过程的实时监控与精准控制，提高生产效率，降低能源消耗，推动绿色制造和智能制造的蓬勃发展，为社会创造更多就业机会，推动产业结构优化与升级。 综上所述，本项目的科技成果转化，不仅能够带来显著的经济效益，还将为社会创造深远的社会效益。在经济效益方面，微腔激光与传感技术将推动相关行业的技术革新和产业升级，为合作方带来可观的市场收益；在社会效益方面，该技术不仅有助于环保、医疗、智能制造等领域的发展，还能促进国家科技自主创新和产业链的完善。通过技术转化，微腔激光与传感技术的广泛应用将为社会的可持续发展、民众的健康福祉以及国家的科技进步做出积极贡献。

北京市自然科学基金杰出青年项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

高质量半导体制备与微腔加工： （1）发展了溶液处理选区同质外延生长工艺制备高质量钙钛矿单晶及阵列结构。该工艺利用过饱和的卤化氢水溶液作为外延前驱物，能够修复在光刻过程中引入的表面缺陷，同时驱动单晶微阵列的自上而下同质外延生长，最终形成高质量的悬浮微结构。该工艺有效避免了钙钛矿薄膜在后处理过程中可能遇到的结构降解问题，且显著提升了材料的光电性能，在制造高效且集成在芯片上的低成本、高定向性、大批量钙钛矿表面悬浮微结构器件应用领域具有极大潜力； （2）发展了基于电子束曝光、反应离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀等可控加工工艺制备基于钙钛矿、二维半导体、氮化硅等材料的光学连续域束缚态微腔、表面局域势调控平板微腔等新型光学微腔，可用于新型微腔激光和传感器件的构筑。 半导体微腔激光构筑： （1）制备了高增益低损耗钙钛矿半导体材料，优化了制备高质量单晶的化学气相沉积工艺，利用重结晶工艺修复半导体表面缺陷并改善晶粒尺寸，发展了微区可变条形光斑长度方法减少了材料测试的不均匀性，最终使得材料增益达到5077 cm-1，损耗低至0.35 cm-1，该成果可应用于构筑低阈值激光光源； （2）实现了高增益低损耗连续域束缚态微腔激光，利用连续域束缚态具备理论上无穷大的光学品质因子和拓扑物性，以及与激子强耦合形成的连续域束缚态激子极化激元能够继承连续域束缚态的拓扑特性的特点，实现阈值降低以及涡旋光输出。最终器件工作温度达到298 K，在1 kHz 80 fs脉冲激光照射下，连续域束缚态激光器件阈值9.6 uJ/cm2。进一步利用连续域束缚态激子极化激元的强非线性相互作用和寿命短的特性，实现多种连续域束缚态激子极化激元涡旋激光模式的快速切换，时间尺度小于20 ps。该成果可推动片上低阈值涡旋激光及其全光学调控应用的开发； （3）实现了连续光泵浦激子极化激元激光，原理上利用钙钛矿微片表面的纳米纹理在微腔中形成了多重俘获势场，这些势场具有合适的空间参数，促进了激子极化激元的弛豫和积累，从而降低了激光阈值，最终器件工作温度达到298 K，激光阈值0.53 W/cm2，具有高稳定性（T50工作寿命为120小时）。该成果对于低阈值微腔激光器件的设计具有重要意义； （4）构建了连续光泵浦钙钛矿亚微米激光光源，其器件面积低至0.65 μm2，阈值为0.84 kW/cm2。技术原理上利用钙钛矿亚微米激光光源中增强的激子-光子耦合会导致群折射率的显著增大至约80，从而使得模式增益显著增加以补偿同样增大的模式损耗，导致亚微米激光光源激射阈值可以低于具有更大器件面积的激光光源。该成果可应用于开发器件尺寸接近光学衍射极限的低阈值半导体激光器。 光学微腔传感器设计： （1）设计了应用于生物和化学免标记传感的氮化硅基连续域束缚态微腔光学折射率传感器，通过精确操控氮化硅超构表面的周期与厚度，在正方晶格布里渊区点实现了对称保护连续域束缚态和多个偶然连续域束缚态合并，从而拓展了抑制辐射通道的动量范围，提升了布里渊区点附近的品质因子，理论上传感灵敏度达231 nm/RIU，折射率传感品质因数达108/RIU，相比于孤立连续域束缚态结构稳健地提升了2个数量级。该成果可推动高性能微腔传感器的设计，并可扩展到低阈值激光器、非线性频率转换和低损耗波导等其他高品质因子应用中； （2）制作了微腔气体免标记光学微腔传感器，O2检测灵敏度40 ppm。其技术原理为基于O2介导的溴空位填充缺陷钝化机制：由于O2的电负性比Br更大而具有更强的捕获电子的能力，因此O2会协调钙钛矿单晶表面因溴空位而局域的多余电子，形成超氧化物来抑制空穴的非辐射复合而调控激光强度。该成果可进一步用于开发室温下具有ppm检测水平的低成本、快速响应的痕量氧传感器； （3）制作了连续域束缚态微腔传感器，利用连续域束缚态高品质因子和对电磁场的紧密束缚同时实现较高的灵敏度和传感品质因数，其实测对D-葡萄糖水溶液检测灵敏度53 nm/RIU，传感品质因数26.5。该成果可进一步用于设计高性能葡萄糖传感器。