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全可见波段高品质纯无机钙钛矿微腔激光器

微型激光源在片上交互、超高分辨成像及显示、高密度数据存储等光电信息领域有极其重要的作用。以端面为反射腔镜,材料本身为增益介质,半导体单晶微纳结构,如纳米线、纳米片等自然形成一种微型光泵浦激光器。在可见波段,由于传统无机半导体的激子结合能较低,室温下激子不稳定而易分离,荧光传输损耗较大。目前基于传统无机半导体材料的微型激光器的光谱相干性较低,低温下其激光峰的展宽仅达0.25nm,明显大于商用化激光器。如何进一步提高微型激光器的品质是一个重要课题。

金属卤化物钙钛矿材料因制备工艺简单、吸光系数高、载流子传输距离长等特点在太阳能电池领域获得巨大成功。作为一种半导体材料,钙钛矿也具有优异的发光性质,通过调节有机与无机基团的结构,可以大范围调控激子的能量、波尔半径、跃迁速率等,在光源、显示及光探测领域有重要的应用前景。2015年,通过使用有机-无机钙钛矿纳米线,人们将室温单晶微型激光的峰宽降低至0.2nm。然而目前有机-无机杂化钙钛矿材料的光热水不稳定性仍是阻碍材料实际应用的难题。

全可见波段高品质纯无机钙钛矿微腔激光器

最近,新加坡南洋理工大学物理与应用物理系Xiong Qihua熊启华)课题组、Sum Tze Chien岑子健)课题组与北京大学工学院材料科学与工程系张青课题组、国家纳米科学中心纳米表征和检测重点实验室刘新风课题组合作,使用化学气相沉积法成功在云母衬底上生长出具有高光学质量和稳定性的纯无机钙钛CsPbX3(X=Cl、Br、I)单晶纳米片材料,并实现了整个可见波段调谐的高品质激光器。研究表明:(1)纯无机钙钛矿CsPbX3纳米片结构支持回音壁式(whispering gallery mode)光学振荡,室温下激子稳定,其光学激射峰在400-700nm波段宽达0.14nm,阈值为2.2mJ/cm2;(2)使用变温吸收光谱获得CsPbX3的激子结合能为20-73meV,明显高于等同禁带宽度的无机半导体中的激子结合能,对未来研究强光-激子耦合作用的基础研究有重要意义。(3)CsPbX3的激射来源于激子的受激辐射行为。研究结果在彩色、低阈值激光光源等应用领域有极大的前景,也在宏观量子光学现象如极化子激元及激射等基本研究有重要意义。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials DOI: 10.1002/adfm.201601690)上。

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