发光学报(特约综述) 铅卤钙钛矿微纳结构的受激辐射研究
作者:admin
发布日期:2021-02-24

       

  铅卤钙钛矿结构具有光吸收系数大、荧光量子产率高、带隙可调、发射峰窄等特点,在太阳能电池、发光二极管及受激辐射等领域的研究备受关注。与II-VI族半导体量子点相比,铅卤钙钛矿材料的发射峰更窄,高质量的铅卤钙钛矿微纳结构可能成为更好的激光增益介质。近日,北京大学严纯华院士-孙聆东教授团队在《发光学报》杂志发表了题为“铅卤钙钛矿微纳结构的受激辐射研究进展”的综述文章,第一作者是博士研究生黄铃。

  本文介绍了铅卤钙钛矿作为增益介质的受激辐射研究进展,对已报道的纳米晶、微米晶及薄膜的受激辐射性能进行了比较,讨论了晶体维度、泵浦条件等对受激辐射阈值、模式的影响。针对激光器件小型化以及芯片光互联、超灵敏检测等发展趋势和需求,对该领域的机遇与挑战进行了展望。

  铅卤钙钛矿半导体具有吸光系数大、缺陷密度低、俄歇复合速率低、发射峰窄且发射在可见光范围连续可调等特点,作为一类性能优异的光学材料受到了研究者的青睐。2014年,研究者在MAPbX3钙钛矿薄膜中观察到了受激辐射光放大的现象,与光学谐振腔结合获得了激光出射。此后,研究者在不同组成的钙钛矿微纳结构中获得了激光出射,并在品质因子、稳定性、输出模式等方面取得了重要进展。

  图1 (a) 激光器的结构示意图,(b) 法布里-珀罗模式谐振腔,(c) 回音壁模式谐振腔。

  激光是通过受激辐射实现光的放大、产生高强度的相干光。激光的产生不仅需要泵浦源,还需要增益介质和光学谐振腔(图1a)。具有规则的几何外形和光滑表面的铅卤钙钛矿微米/纳米线及纳米片等单晶,作为增益介质的同时,自身亦可作为光学谐振腔(图1b, c),如微米/纳米线的法布里-珀罗模式谐振腔、纳米片或板的回音壁模式谐振腔。

  在铅卤钙钛矿薄膜中,低阈值下可产生高品质因子的激光发射,数小时泵浦的激光出射稳定性也大大提高;调节卤素阴离子的种类与含量,激光发射可在390-790 nm范围内调节。铅卤钙钛矿多晶薄膜也可通过结合分布式布拉格反射镜及金反射镜等外加谐振腔实现激光发射。铅卤钙钛矿纳米线在更低的阈值下获得了发射波长可调的单色和双色激光出射;在纳米片、纳米球以及纳米晶的组装体中也实现了高品质的受激光放大现象。除单个微纳结构外,基于铅卤钙钛矿的激光阵列也取得了进展。

  在铅卤钙钛矿微型激光器的研究中,材料在光泵浦下可经历相变缩短其使用寿命,对高密度集成光学器件的应用有重要影响。本文聚焦了薄膜型、单晶型、多光子和连续激光泵浦的钙钛矿微纳结构的激光发射研究进展。

  铅卤钙钛矿材料易受到水、氧、热等因素的影响而破坏,应用中需面对化学组成和结构稳定性的问题。类似于半导体量子点的稳定性对策,包覆、表面钝化等策略可提高其的稳定性,对延长器件的工作寿命有潜在意义。

  基于铅卤钙钛矿的毒性问题,目前已发展了一系列非铅基钙钛矿体系。如已在CsSnI3-SnF2体系中实现了近红外激光出射,但其稳定性及品质因子等仍需进一步提升。

  相比于CsPbBr3和CsPbI3钙钛矿体系,CsPbCl3的发光量子产率低,在进一步探究提高量子产率策略的同时,也需要拓展蓝光体系。

  目前铅卤钙钛矿激光发射均为光泵浦,电泵浦钙钛矿的激光发射是一个重要的目标,但高密度的电荷注入及其热效应会破坏增益介质,激光出射的低载流子密度阈值更具挑战。

  综上,合理选择材料体系、优化合成和结晶策略、深入研究钙钛矿材料的发光机理、设计钙钛矿激光器结构以及提升器件性能等方面依然需要不断探索,以推动钙钛矿材料在激光发射领域的基础研究及应用。

  孙聆东,1996年于中国科学院长春物理研究所获博士学位,北京大学化学与分子工程学院教授,现任Nanoscale (RSC)、J. Lumin. (Elsevier) 副主编,主要从事稀土材料化学、等离激元纳米结构等无机光学功能材料的研究。

  严纯华,1988年于北京大学获博士学位,北京大学化学与分子工程学院教授、兰州大学化学与化工学院教授,2011年遴选为中国科学院院士,2012年遴选为发展中国家科学院院士,现任J. Rare Earths (Elsevier)主编,主要从事稀土功能材料、稀土分离化学研究。

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