新型半導體雷射器研究獲進展

2020-09-09 中科院之聲

近期，中國科學院長春應用化學研究所秦川江課題組、日本九州大學安達千波矢研究室合作，開發出一種基於新型低成本半導體材料鈣鈦礦的雷射器，突破了其以往僅能在低溫下連續穩定工作的瓶頸，實現室溫可連續雷射輸出的鈣鈦礦雷射器。

雷射器是將輸入的光或電能量轉換成光的器件，由於發光高度均勻，被廣泛應用於工業、醫療、信息、科研等領域。鈣鈦礦半導體材料具有可低成本溶液加工、發光波長可調、發射光譜穩定等優點，作為工作物質在雷射方面具有廣闊應用前景。然而，室溫下連續激發工作數分鐘後鈣鈦礦雷射將會消失，且原因未明，限制了進一步發展。

在有機半導體器件中，正負電荷結合後，可先形成激子再釋放能量，其激子行為與特性已得到廣泛深入研究。激子通常分為單重態激子和三重態激子，其中，三重態激子直接發光效率低。已有研究證實，阻礙有機半導體連續雷射的因素主要是其固有的三重態激子特性。但關於準二維鈣鈦礦雷射器，人們還沒有認識到三重態激子在其中的影響。

準二維鈣鈦礦是一類將相同重複單元的無機骨架夾在有機層之間的材料。近期，科研人員發現這種材料中的三重態激子壽命可長達1微秒，進而猜測其可能是導致雷射消失的原因；三重態激子雖然不發光，但能與發光的單重態激子相互作用，導致它們均以不發光的形式失去能量。因此，如果鈣鈦礦中存在長壽命三重態激子，可能需要將其除去，以免幹擾雷射。

基於以上考慮，該研究在準二維鈣鈦礦中引入具有較低三重態能級的有機層，使鈣鈦礦中產生的長壽命激子可自發轉移至有機層，從而減少單重態激子能量損失，實現光激發下連續的雷射產生。將鈣鈦礦雷射器置於空氣中，使三重態激子被氧氣淬滅，也可實現連續雷射，進一步證明三重態激子是造成雷射消失的原因之一。此外，雷射器在相對溼度為55%的空氣中連續工作1小時後，雷射強度基本沒有變化，發射光譜也沒有移動。

該研究證實了三重態激子在鈣鈦礦雷射工作過程中的關鍵作用，以及調控三重態激子對實現連續雷射的重要性，有助於開發低成本、可溶液加工和超小型化的電致鈣鈦礦雷射器件，應用於光通信、光信息處理、光存儲以及通過大規模集成電路平面工藝組成的光電子系統。

相關成果發表在《自然》上，研究員秦川江是論文的第一作者、第一通訊聯繫人，長春應化所為第一完成單位。研究得到中科院、長春應化所的支持。

溶液旋塗製備低成本鈣鈦礦半導體雷射器過程及工作示意圖

工作條件下的室溫連續激發準二維鈣鈦礦雷射器（藍色為光泵浦源488nm固體雷射器光路，綠色為鈣鈦礦雷射器及雷射）

來源：中國科學院長春應用化學研究所

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