研究焦點

研究成果概述

雷射因為具有單色性、方向性與高度同調性，從基礎科學到光通訊、感測、醫療、量子運算等領域，都扮演著不可或缺的角色。然而，傳統雷射元件因受限於共振腔尺寸，難以縮小到奈米尺度，限制了光電科技向更微型化與其積體化的發展。特別是，要在室溫環境下運作的奈米雷射，長期以來一直是材料與光電研究的重大挑戰。本中心呂宥蓉副研究員所帶領的研究團隊花了七年時間尋找合適材料成功突破了這個瓶頸。與國立臺灣大學化學工程學系闕居振教授合作，首次揭示結合「準二維鈣鈦礦材料」與「高品質因子（high-Q）電漿子表面晶格共振結構（waveguide-hybridized surface lattice resonance, W-SLR）」，建構出一個能在室溫和大氣中穩定運作的奈米雷射平台。這個創新共振結構設計大幅增強了光與物質之間的交互作用，使元件在奈米尺度下可產生同調光子並實現高穩定性且波長可控的單模態雷射。

在光增益介質半導體材料設計上引入18-Crown-6添加劑增加薄膜穩定性與均勻性，有效抑制準二維鈣鈦礦中低階相的形成促使材料在飛秒雷射激發下具有激子再局域化（exciton relocalization）的特殊發光增強機制。光激發的載子自發性遷移並集中至能隙較小的相內進行有效的輻射複合顯著提升發光效率。此設計不僅能精準控制膜厚至次波長尺寸，並有效提升準二維鈣鈦礦材料在特定波長範圍內的光增益，更大幅延長元件壽命與穩定性，即使在未封裝的情況下也能長時間穩定發光。這項成果提供了一個具備「低成本」、「高效能」、「可大面積製造」的室溫奈米雷射方案，未來有望推動次世代光通訊、LiDAR感測、光運算、量子科技等尖端技術的發展。本研究已於2025年5月7日發表於《科學前緣》(Science Advances) 期刊，論文第一作者為本院國際研究生學程(TIGP)奈米學程博士生王彥又，與共同第一作者李興澔(現任職於台積電)。本研究特別感謝中研院計畫、國家科學及技術委員會計畫，以及臺大中研院合作計畫支持。