鈣鈦礦材料作為新興半導(dǎo)體材料,具有吸收系數(shù)大、載流子擴(kuò)散長度長、缺陷態(tài)密度低和帶隙可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn),在太陽能電池、光源等光電領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本文主要探討鈣鈦礦材料作為激光增益介質(zhì),應(yīng)用于微納激光領(lǐng)域所取得的成果與研究進(jìn)展,并對不同激光腔的模式分類進(jìn)行總結(jié)概述,最后對鈣鈦礦微納激光的發(fā)展前景進(jìn)行展望。 

【文章來源】：激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2020年07期 北大核心

【文章頁數(shù)】：17 頁

【部分圖文】：

鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)[22]。（a）鈣鈦礦晶胞單元結(jié)構(gòu)圖；（b）通式ABX3鈣鈦礦三維晶體結(jié)構(gòu)圖

由于鈣鈦礦晶體的Pb-X鍵和能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)，從氯到溴到碘的替換，帶隙依次減小[39]，因此可以通過鹵素離子的替換實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦材料發(fā)射波長的可調(diào)諧。此外，通過混合鹵素元素對鈣鈦礦材料進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射波長的連續(xù)調(diào)諧。2013年，Noh等[40]通過改變MAPb(I1-xBrx)3納米復(fù)合物中的溴使得吸收帶從786nm藍(lán)移到544nm，帶隙增大[圖2(a)];2014年，Xing等[26]通過調(diào)節(jié)混合的MAPbClxBr3-x和MAPbBryI3-y中的鹵素離子的比例，即x和y的值，實(shí)現(xiàn)從390nm到790nm可見到近紅外的寬譜連續(xù)調(diào)諧[圖2(b）]；之后，Protesescu等[41-43]分別實(shí)現(xiàn)單晶、納米線和納米片形狀無機(jī)鈣鈦礦CsPbX3發(fā)射波長從可見到紅外的可調(diào)諧。由于A位離子的半徑和晶體結(jié)構(gòu)的容忍因子有關(guān)，所以改變A位陽離子，也可以實(shí)現(xiàn)能帶的調(diào)諧[圖2(c）、（d）]。2015年，Zhu等[44]通過在混合溶液中增加甲胺碘（MAI）濃縮液，將（MA,FA)Pb(Br,I)3納米線的熒光光譜連續(xù)紅移；2016年，F(xiàn)u等[45]將FAPbBr3中的FA換成MA，光譜將紅移10nm，并通過調(diào)節(jié)（MA,FA)Pb(Br,I)3中A位陽離子和鹵素離子的比例，實(shí)現(xiàn)發(fā)射波長從490nm到824nm的調(diào)諧[圖2(e）]。對于B位元素的調(diào)諧，采用Sn元素取代，可以實(shí)現(xiàn)近紅外波段的輻射[46]。另外，發(fā)展非鉛基的鈣鈦礦材料，不僅可以實(shí)現(xiàn)光譜展寬，還可以推進(jìn)無毒性鈣鈦礦技術(shù)的應(yīng)用，提高鈣鈦礦激光的性能。2.4 非線性光學(xué)特性

2018年，Hu等[71]在實(shí)驗(yàn)中證明，將CsPbBr3鈣鈦礦量子點(diǎn)嵌入硅球中比純無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)的發(fā)光性能和穩(wěn)定性要更好，如圖5(a）所示，將其作為增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了頻率上轉(zhuǎn)換激光輸出[72]。除了上述的球形諧振腔，微管結(jié)構(gòu)也可以作為高性能激光器的諧振腔[32,73]。Liu等之后將CsPbBr3-SiO2微米球放進(jìn)直徑40μm的圓柱形微管，利用微管和鈣鈦礦介質(zhì)的折射率差形成的諧振腔，實(shí)現(xiàn)高性能WGM激光的輸出[圖5(b）]，在800nm、35fs激光泵浦下，其閾值為430μJ/cm2，半峰全寬為0.35nm，品質(zhì)因子高達(dá)1532，并在激發(fā)閾值之上連續(xù)激發(fā)超過140 min，激光性能保持穩(wěn)定。隨后2019年，Tang等[74]使用CdS作為殼材料對單個CsPbBr3鈣鈦礦量子點(diǎn)進(jìn)行封裝[圖5(c）]，實(shí)驗(yàn)證明通過核殼結(jié)構(gòu)單顆粒包覆使得鈣鈦礦量子點(diǎn)有著超高的化學(xué)穩(wěn)定性以及高的熒光量子產(chǎn)率，同時減少非輻射復(fù)合，有效改善量子點(diǎn)的閃爍發(fā)光問題。如圖5(d）所示，將該結(jié)構(gòu)放進(jìn)圓柱形微管形成的諧振腔中，通過雙光子泵浦（800nm,35fs,1kHz）在大于泵浦閾值（980μJ/cm2）時，實(shí)現(xiàn)高性能WGM模式激光輸出（半峰全寬為0.44nm，品質(zhì)因子為1217）。除了高維鈣鈦礦材料的激光激射，Yang等[75]在2019年通過常溫反相微乳液合成了零維鈣鈦礦Cs4PbBr6亞微米盤。相比于傳統(tǒng)的高維鈣鈦礦材料，零維電子結(jié)構(gòu)具有較大的激子結(jié)合能、獨(dú)特的光電性能以及更好的穩(wěn)定性。研究證明了Cs4PbBr6內(nèi)部極化子的存在，揭示了綠色激發(fā)光是零維鈣鈦礦Cs4PbBr6的本征發(fā)光而不是嵌入的CsPbBr3雜質(zhì)發(fā)光；并分別在單光子（400 nm,35fs,1kHz）和雙光子激發(fā)（800nm,35fs,1kHz）下，均實(shí)現(xiàn)低閾值（76.5μJ/cm2和389.7μJ/cm2）和高品質(zhì)因子（Q為1551和1596）的單模WGM激光發(fā)射[圖5(e）]。圖5 不同方案實(shí)現(xiàn)的WGM模式激光。（a）將無機(jī)鈣鈦礦CsPbBr3量子點(diǎn)嵌入二氧化硅球以及發(fā)光原理[72];(b）將CsPbBr3-SiO2微米球放進(jìn)直徑40μm的圓柱形微管中的發(fā)光圖像以及WGM模式激光的原理[72];(c)CdS/CsPbBr3殼核結(jié)構(gòu)[74];(d)CsPbBr3/CdS核/殼結(jié)構(gòu)放入圓柱形微管中產(chǎn)生WGM激光以及內(nèi)嵌圖為發(fā)光原理的圖片[74];(e）無機(jī)鈣鈦礦Cs4PbBr6微盤，隨著激發(fā)光強(qiáng)增大，出現(xiàn)WGM激光[75]

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦激光器的研究進(jìn)展[J]. 紀(jì)興啟,李國輝,崔艷霞,孔維民,劉艷珍,郝玉英.  半導(dǎo)體技術(shù). 2018(06)



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