發光學報(特約綜述)| 鉛滷鈣鈦礦微納結構的受激輻射研究

2021-01-19 澎湃新聞

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鉛滷鈣鈦礦結構具有光吸收係數大、螢光量子產率高、帶隙可調、發射峰窄等特點，在太陽能電池、發光二極體及受激輻射等領域的研究備受關注。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。

本文介紹了鉛滷鈣鈦礦作為增益介質的受激輻射研究進展，對已報導的納米晶、微米晶及薄膜的受激輻射性能進行了比較，討論了晶體維度、泵浦條件等對受激輻射閾值、模式的影響。針對雷射器件小型化以及晶片光互聯、超靈敏檢測等發展趨勢和需求，對該領域的機遇與挑戰進行了展望。

1. 引言

鉛滷鈣鈦礦半導體具有吸光係數大、缺陷密度低、俄歇複合速率低、發射峰窄且發射在可見光範圍連續可調等特點，作為一類性能優異的光學材料受到了研究者的青睞。2014年，研究者在MAPbX3鈣鈦礦薄膜中觀察到了受激輻射光放大的現象，與光學諧振腔結合獲得了雷射出射。此後，研究者在不同組成的鈣鈦礦微納結構中獲得了雷射出射，並在品質因子、穩定性、輸出模式等方面取得了重要進展。

2. 鉛滷鈣鈦礦微納結構的雷射發射研究

圖1 (a) 雷射器的結構示意圖，(b) 法布裡-珀羅模式諧振腔，(c) 回音壁模式諧振腔。

雷射是通過受激輻射實現光的放大、產生高強度的相干光。雷射的產生不僅需要泵浦源，還需要增益介質和光學諧振腔(圖1a)。具有規則的幾何外形和光滑表面的鉛滷鈣鈦礦微米/納米線及納米片等單晶，作為增益介質的同時，自身亦可作為光學諧振腔(圖1b, c)，如微米/納米線的法布裡-珀羅模式諧振腔、納米片或板的回音壁模式諧振腔。

在鉛滷鈣鈦礦薄膜中，低閾值下可產生高品質因子的雷射發射，數小時泵浦的雷射出射穩定性也大大提高；調節滷素陰離子的種類與含量，雷射發射可在390-790 nm範圍內調節。鉛滷鈣鈦礦多晶薄膜也可通過結合分布式布拉格反射鏡及金反射鏡等外加諧振腔實現雷射發射。鉛滷鈣鈦礦納米線在更低的閾值下獲得了發射波長可調的單色和雙色雷射出射；在納米片、納米球以及納米晶的組裝體中也實現了高品質的受雷射放大現象。除單個微納結構外，基於鉛滷鈣鈦礦的雷射陣列也取得了進展。

在鉛滷鈣鈦礦微型雷射器的研究中，材料在光泵浦下可經歷相變縮短其使用壽命，對高密度集成光學器件的應用有重要影響。本文聚焦了薄膜型、單晶型、多光子和連續雷射泵浦的鈣鈦礦微納結構的雷射發射研究進展。

3. 總結與展望

雖然鉛滷鈣鈦礦微納結構的受激發射研究已經取得了部分突破性的進展，但依然面臨著許多挑戰。

一、鉛滷鈣鈦礦材料的化學和結構穩定性問題

鉛滷鈣鈦礦材料易受到水、氧、熱等因素的影響而破壞，應用中需面對化學組成和結構穩定性的問題。類似於半導體量子點的穩定性對策，包覆、表面鈍化等策略可提高其的穩定性，對延長器件的工作壽命有潛在意義。

二、鉛滷鈣鈦礦材料中鉛元素的化學毒性

基於鉛滷鈣鈦礦的毒性問題，目前已發展了一系列非鉛基鈣鈦礦體系。如已在CsSnI3-SnF2體系中實現了近紅外雷射出射，但其穩定性及品質因子等仍需進一步提升。

三、高性能紫外和深藍雷射仍然存在困難

相比於CsPbBr3和CsPbI3鈣鈦礦體系，CsPbCl3的發光量子產率低，在進一步探究提高量子產率策略的同時，也需要拓展藍光體系。

四、電泵浦鈣鈦礦雷射出射的重大挑戰

目前鉛滷鈣鈦礦雷射發射均為光泵浦，電泵浦鈣鈦礦的雷射發射是一個重要的目標，但高密度的電荷注入及其熱效應會破壞增益介質，雷射出射的低載流子密度閾值更具挑戰。

綜上，合理選擇材料體系、優化合成和結晶策略、深入研究鈣鈦礦材料的發光機理、設計鈣鈦礦雷射器結構以及提升器件性能等方面依然需要不斷探索，以推動鈣鈦礦材料在雷射發射領域的基礎研究及應用。

作者簡介

黃鈴，2020年於北京大學獲博士學位，主要從事鉛滷鈣鈦礦微納結構的合成與發光性質研究。

孫聆東，1996年於中國科學院長春物理研究所獲博士學位，北京大學化學與分子工程學院教授，現任Nanoscale (RSC)、J. Lumin. (Elsevier) 副主編，主要從事稀土材料化學、等離激元納米結構等無機光學功能材料的研究。

嚴純華，1988年於北京大學獲博士學位，北京大學化學與分子工程學院教授、蘭州大學化學與化工學院教授，2011年遴選為中國科學院院士，2012年遴選為發展中國家科學院院士，現任J. Rare Earths (Elsevier)主編，主要從事稀土功能材料、稀土分離化學研究。

文章信息

黃鈴, 董浩, 賈鳳豔, 等. 鉛滷鈣鈦礦微納結構的受激輻射研究[J]. 發光學報, 2020, 41(12):1479-1489.

文章地址

https://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200353

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