北大鈣鈦礦半導體激子極化激元及連續光泵浦綠色微納雷射研究進展

2020-09-05 小材科研

隨著5G無線通信、片上光互聯、消費電子等行業的迅速發展，對雷射器的集成化、小型化、低功耗等的需求日益攀升。半導體微納雷射器成為了光電材料與信息器件領域重要的研究方向。但是在微納尺度下，半導體材料存在表面缺陷濃度高、增益體積受限、發熱嚴重等問題，實現其電泵浦雷射非常困難。無需粒子數反轉的激子極化激元雷射為降低雷射閾值、實現電泵浦微納雷射提供了解決方案。近年來，得益於其優異的光電性質，金屬滷化物鈣鈦礦半導體材料在光電信息領域展現出巨大的應用潛力。而其室溫下可穩定存在的激子、較大的激子結合能，為研究激子極化激元提供了良好的平臺。

基於以上研究背景，北京大學工學院張青研究員課題組研究了一維CsPbBr3鈣鈦礦納米材料的激子極化激元特性，闡述了其對光傳播行為的影響機制，發現了激子極化激元導致的慢光效應和光吸收增強效應，並實現了連續光泵浦綠色微納雷射。工作分別發表在Nano Lett. （2020, 20, 1023−103）和Nano Lett. （doi: 10.1021/acs.nanolett.0c02462）。


圖a. 左圖：低維CsPbBr3納米線中激子極化激元傳播示意圖；右圖：由空間分辨螢光光譜技術測得的波導譜及相應的激子極化激元色散曲線。圖b. CsPbBr3納米帶-藍寶石體系中連續光泵浦雷射光譜

利用空間分辨螢光光譜技術，課題組首先研究了室溫下CsPbBr3納米線中的激子極化激元對光傳輸及折射率的影響機制。結果表明，室溫下光以激子極化激元形式傳播，在激子共振能量附近，激子組分增加，從而導致群折射率和光吸收係數的顯著增加。與此同時，與塊體薄膜材料相比，納米線的群折射率增加了3倍，光吸收係數增加了5倍（Nano Lett. 2020, 20, 1023−1032）。進一步，他們發現CsPbBr3群折射率隨著溫度的降低而逐漸增加，在78 K時，可達到43.7。該效應將顯著提高模式的限制因子，減少光學損耗，從而降低雷射閾值。基於此，他們優化了CsPbBr3的生長工藝，使用具有較高熱導率的藍寶石襯底和平均厚度低於120 nm的納米帶，實現了連續光泵浦的綠色微納雷射。該雷射的閾值在7.8 K和78 K下低至0.13 kW cm-2和2.6 kW cm-2，當溫度高於100 K時，閾值將提升至10 kW cm-2以上。此外，他們還分析了該體系獲得電泵浦雷射的可能性（Nano Lett. doi: 10.1021/acs.nanolett.0c02462）。這兩項研究闡明了一維CsPbBr3鈣鈦礦材料的光子-激子相互作用特性、激子極化激元傳播行為以及其對低功耗雷射的影響機制，為實現電泵浦鈣鈦礦微納雷射提供了思路。

該系列工作與國家納米科學中心、北京大學物理學院、澳門大學、中科院半導體所、青島科技大學等多個單位合作完成。研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助。

來源：北京大學

論文連結：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04175

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02462

相關焦點

  • 工學院張青課題組鈣鈦礦微腔光子-激子強耦合及雷射器件研究取得進展
    微腔雷射器是光子晶片的核心器件之一，設計連續光乃至電驅動微腔雷射器也就成了光電信息領域的重大挑戰。基於光子-激子強耦合效應，實現激子-極化激元的波色愛因斯坦凝聚，為發展低閾值微腔雷射器提供了一種解決方案。當前，由於無機半導體材料的激子結合能較低，其激子極化激元僅在寬禁帶半導體或者造價昂貴的量子阱中結構中實現。
  • 發光學報(特約綜述)| 鉛滷鈣鈦礦微納結構的受激輻射研究
    與II-VI族半導體量子點相比，鉛滷鈣鈦礦材料的發射峰更窄，高質量的鉛滷鈣鈦礦微納結構可能成為更好的雷射增益介質。近日，北京大學嚴純華院士-孫聆東教授團隊在《發光學報》雜誌發表了題為「鉛滷鈣鈦礦微納結構的受激輻射研究進展」的綜述文章，第一作者是博士研究生黃鈴。
  • 先導專項成果⑤｜有機微納雷射：許「視覺革命」一個未來
    全色域、高亮度、極限高清、真3D……這是雷射顯示即將掀起的一場「人類視覺史上的革命」，微納雷射將扮演重要角色。微納雷射是指納米結構中的受激發射，它們產生強烈的相干光信號，在光通信、集成光子迴路（PIC）和顯示技術中展現出了廣闊的應用前景。有機共軛分子的納米組裝結構可以實現與傳統的無機半導體材料顯著不同的雷射行為，是微納雷射的「未來之星」。
  • 科學家首次在室溫條件拍攝到激子極化激元納米圖像!
    導讀最近，美國愛荷華州立大學的研究人員 Zhe Fei 帶領的科研團隊， 在室溫條件下，創造出了激子-極化激元，並研究了其相關特性，還首次拍攝到了這種準粒子的納米圖像。關鍵字準粒子、激子極化激元、光子、半導體、量子背景今天，我們還是從一個非常重要的物理概念開始。
  • 新型半導體雷射器研究獲進展
    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。
  • 中科院科研人員開發出在室溫下可連續雷射輸出的鈣鈦礦雷射器
    據中國科學院網站9月3日消息，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。
  • 中科院科研人員開發出在室溫下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。
  • 長春應化所等在新型半導體雷射器研究中取得進展
    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。
  • 氧化鋅微共振腔極化激元雷射器
    寬能隙材料具有較大的激子束縛能與耦合強度，可以在室溫中觀察到由微共振腔光子與半導體激子間強耦合作用所形成之激子極化激元(Exciton-polariton)，在探討光與物質間交互作用的研究上具有極大的發展潛力。
  • 新型光電材料:二維鈣鈦礦的研究進展|第4屆國際二維晶體物理會議
    二維鈣鈦礦作為一種新型光電材料，既有二維材料的可溶液加工、柔性、便宜易獲得等特點，又具備鈣鈦礦材料吸收光譜寬、光吸收係數高和能耗損失低等特性，已經成為材料研究領域的熱點而受到廣泛關注。在 13 日的鈣鈦礦材料專場上，來自南洋理工大學的蘇銳博士、慕尼黑大學 Jochen Feldmann 教授等數十位物理學家在一起探討二維晶體物理的研究進展。蘇銳博士所在的是新加坡南洋理工大學數理學院物理與應用物理系熊啟華教授領導的課題組，他在會上分享了團隊在「鈣鈦礦晶體的波色愛因斯坦凝聚現象」方面的進展與成果。
  • 長春所人員在新型半導體雷射器研發上獲進展
    江蘇雷射聯盟導讀：由中國科學院長春應用化學研究所和日本九州大學的科研人員組成的國際研究小組在製作新型半導體雷射器的研發上取得進展，為下一步半導體雷射器更穩定工作提供重要支撐。該成果9月2日在《Nature》期刊上發表。由於雷射具有高度均勻的發光特性，因此被廣泛用於從製造、研究到通訊和娛樂等各種領域。
  • 長春所人員在新型半導體雷射器研發上獲進展
    江蘇雷射聯盟導讀：由中國科學院長春應用化學研究所和日本九州大學的科研人員組成的國際研究小組在製作新型半導體雷射器的研發上取得進展，為下一步半導體雷射器更穩定工作提供重要支撐。該成果9月2日在《Nature》期刊上發表。由於雷射具有高度均勻的發光特性，因此被廣泛用於從製造、研究到通訊和娛樂等各種領域。
  • 懸空單層氮化硼聲子極化激元的電子激發與性質研究取得新進展
    近日，中國科學院國家納米科學中心戴慶課題組和北京大學高鵬課題組合作在單層氮化硼聲子極化激元方面取得新進展。極化激元是光子與材料中的偶極激發發生強耦合形成的準粒子，它能夠突破光的衍射極限，將光波長壓縮到納米尺度進行操控，在納米光電子器件和高靈敏傳感等領域具有重要的意義。極化激元的波長壓縮能力是研究極化激元物理特性的起源，這決定了局域光場增強效果和光電子器件集成度，因此不斷追求具有更高壓縮比的極化激元成為了納米光子學領域的重要研究方向。
  • 懸空單層氮化硼聲子極化激元的電子激發與性質研究取得新進展
    極化激元是光子與材料中的偶極激發發生強耦合形成的準粒子，它能夠突破光的衍射極限，將光波長壓縮到納米尺度進行操控，在納米光電子器件和高靈敏傳感等領域具有重要的意義。極化激元的波長壓縮能力是研究極化激元物理特性的起源，這決定了局域光場增強效果和光電子器件集成度，因此不斷追求具有更高壓縮比的極化激元成為了納米光子學領域的重要研究方向。
  • 鈣鈦礦雷射器實現室溫連續雷射輸出
    來自中國科學院長春應用化學研究所和日本九州大學的國際合作團隊開發了一款鈣鈦礦雷射器，該雷射器基於新型低成本半導體材料，突破了以往僅能在低溫下連續穩定工作的瓶頸，率先實現了室溫可連續雷射輸出。相關研究成果9月3日發表在《自然》上。
  • 我國科學家開發新型半導體雷射器
    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。
  • 鈣鈦礦雷射器可實現室溫連續雷射輸出
    本報訊（記者沈春蕾）中國科學院長春應用化學研究所和日本九州大學研究人員組成的國際合作團隊開發了一款鈣鈦礦的雷射器。該雷射器基於新型低成本半導體材料，突破了以往僅能在低溫下連續穩定工作的瓶頸，率先實現了室溫下連續雷射輸出。相關研究成果近日發表於《自然》。
  • 科學網—鈣鈦礦雷射器可實現室溫連續雷射輸出
    該雷射器基於新型低成本半導體材料，突破了以往僅能在低溫下連續穩定工作的瓶頸，率先實現了室溫下連續雷射輸出。相關研究成果近日發表於《自然》。 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。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。
  • 碳納米管耦合了光和物質 有望實現有機半導體雷射源
    通過他們對光電子納米材料上的研究，海德堡大學和聖·安德魯斯大學（蘇格蘭）的科學家首次成功地在半導體碳納米管上證明了光與物質的強相互作用。這種強烈的光與物質之間的耦合是實現新光源的重要一步，例如基於有機半導體的電泵浦雷射器。除了其他一些應用之外，他們在電信應用中也很重要。
  • 長春應化所首篇《Nature》：終於揭開「雷射死亡」真面目
    在低雷射閾值的條件下，研究人員已經成功的利用有機-無機和純無機三維(3D)鈣鈦礦、準二維鈣鈦礦和二維鈣鈦礦等多種鈣鈦礦增益介質實現了放大自發射(Amplified spontaneous emission, ASE)和光泵浦脈衝雷射。