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

2020-11-25 北大新聞網

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。儘管有機半導體材料具有較大的激子結合能，其弱非線性係數及較差的晶格質量極大地阻礙了極化激元的凝聚。

金屬滷化物鈣鈦礦材料兼具無機及有機半導體的優點，如製備成本低廉、光吸收效率高、缺陷濃度低、載流子傳輸距離長，還有簡易調諧的禁帶寬度和優異的增益特性，在低閾值固態微腔雷射器領域有重要的應用前景。近期，北京大學工學院張青研究員課題組在可見發光的鈣鈦礦納米線微腔的光-物質強相互作用領域取得新進展，為基於激子極化激元的玻色-愛因斯坦凝聚效應實現低閾值微腔雷射器提供了思路。相關工作在線發表在Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04847)、ACS Photonics (DOI: 10.1021/acsphotonics.7b01593)、Adv. Opt. Mater.（2018, 6, 1701032）等期刊雜誌上。

a. 角分辨螢光光譜系統 b. CsPbBr3納米線的螢光色散曲線（插圖），以及雷射閾值-拉比劈裂曲線 c. MAPbBr3納米線在glass和SiO2/Ag襯底上拉比劈裂能隨著有效模式體積的變化關係

通過空間角分辨螢光光譜，張青課題組在有機-無機混合鈣鈦礦MAPbBr3納米線微腔中首次觀測到該材料體系的激子-極化子激元效應，光子-激子耦合強度隨著納米線的尺寸減小而增加，室溫的拉比劈裂能高達390meV，這項工作發表在Adv. Opt. Mater.雜誌，並被Wiley Materials&Views作為亮點工作報導，入選該期刊2018年2月及3月高下載論文。振子濃度和模式體積是影響微腔光子-激子強耦合作用的關鍵因素。課題組通過引入表面等離激元納腔，設計MAPbBr3納米線-SiO2-Ag混合微腔結構，有效提高了局域振子數目，使拉比劈裂能增強至564meV，群折射率提高至17。這項工作發表在Nano Letters，北京大學2017級直博生尚秋宇為第一作者。進一步，在結構穩定、高質量純無機CsPbBr3納米線中，他們通過提高光子-激子耦合強度降低雷射閾值，在耦合強度高於450meV時，觀測到室溫激子-極化子雷射,雷射器的閾值約降低至原值的1/7，此項工作發表在ACS Photonics。以上研究結果對於低閾值微型雷射器、量子通信、非線性光學等領域研究有重要意義。

該系列工作與國家納米科學中心劉新風教授、北京大學物理學院肖雲峰教授、工學院張豔鋒教授以及南洋理工大學熊啟華教授、阿卜杜拉國王大學吳韜教授的課題組合作完成。研究得到國家重點研發計劃、青年千人計劃、北京大學「雙一流」計劃及清華大學低維與量子物理國家重點實驗室的經費支持。

編輯：麥洛

責編：山石


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