长春应化所首篇《Nature》诞生！突破一项激光器瓶颈

导读：本文开发了一种基于新型低成本半导体材料-钙钛矿的激光器，突破了以往仅能在低温下连续稳定工作的瓶颈，率先实现了室温可连续激光输出的钙钛矿激光器，为该类器件的产业化应用奠定了坚实基础。

有机-无机卤化铅准二维（2D）的钙钛矿由于具有较低的成本，可调谐的颜色以及优异的稳定性和溶液加工性，使之成为一种很有发展前途的增益介质。光泵浦连续波（CW）激光器广泛应用于高密度的集成光电子器件中，并构成对电泵浦激光器的关键步骤。但是，由于“激光死亡”现象（在CW光泵浦下激光突然终止），尚未在室温下实现连续CW激光发射，其原因尚不清楚。

近日，中国科学院长春应用化学研究所秦川江研究员和日本九州大学Chihaya Adachi教授领导的研究团队（共同通讯作者）研究了具有不同有机阳离子的基于卤化铅的准2D钙钛矿薄膜，而且在放大自发发射、光泵浦脉冲以及连续激光中观察到长寿命的三重态激子显著地阻碍了粒子数反转。研究结果表明，单线态三重态激子湮没是导致激光死亡的一种可能的内在机制。通过使用具有高质量因子的分布式反馈腔，并应用三重态管理策略，可以在室温下在空气中连续光泵浦下获得稳定的准2D钙钛矿绿色准激光器。相关研究成果以“Stableroom-temperature continuous-wave lasing in quasi-2D perovskite films”为题于2020年9月2日在线发表在Nature上。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2621-1

钙钛矿增益介质广泛，包括有机-无机和纯无机三维（3D）混合钙钛矿，准2D钙钛矿，和2D钙钛矿。其中，钙钛矿材料是增益介质。同时也是谐振腔的激光器、借助外部谐振腔的钙钛矿激光器、多光子泵浦激光器以及波长可调控的激光器。在CH₃NH₃Pb₃PbI₃中，在低于140K的温度或在短时间为250s的室温下观察到的连续激光。具有更大的阳离子的准2D钙钛矿已显示出优异的性能，例如比3D钙钛矿以及自然量子阱架构更好的稳定性和更高的激子结合能。这些特性表明它们是更好发射器和增益介质，在相比3D钙钛矿用于发光二极管和激光应用的情况下。然而，准二维钙钛矿的CW激光尚未实现，即使在低温下也是如此，导致钙钛矿激光死亡现象的内在机制尚不清楚。

带有有机半导体的连续波和电泵浦激光器的实现主要受到在高载流子密度下发生的三重态累积引起的光和激子损耗的影响。解决这些基本损耗问题的一种方法是利用三重态的化学猝灭来抑制三重态吸收损耗和单重态激子湮没（STA）。最近，观察到准2D钙钛矿中的三重态激子的寿命接近1 s。由于单重态和三重态之间的能隙非常小，大约等于室温下的热能，因此它们之间会发生快速的系统间交叉和反向系统间交叉。

但是，卤化钙钛矿中三重态的性质仍然是一个悬而未决的问题。最近的论文报告指出，在两种不同系统（2D或准2D钙钛矿薄膜和3D钙钛矿纳米晶体）中观察不同的性质是合理的，因为量子阱厚度的增加可能会导致过渡选择规则的打破。因此，长寿命三重态激子和/或STA的积累可能是激光死亡现象的内在来源。

为了表明由三重态激子引起的STA对准-2D钙钛矿中的反转是有害的，作者研究了基于FAPbBr₃的准2D钙钛矿，其具有两种不同的有机阳离子，即苯乙基溴化胺（PEABr）和1-萘甲基溴化铵（NMABr）。基于PEABr的钙钛矿（P2F8）掺入具有高三重态能量的有机阳离子，而基于NMABr的钙钛矿（N2F8）包含具有低三重态能量的有机阳离子。P2F8和N2F8具有类似的分子大小，导致准二维钙钛矿具有相当的结晶度和光物理特性。

图1.熔融石英上P2F8和N2F8钙钛矿膜的化学结构和ASE性能。（a）两个准2D钙钛矿及其阳离子的化学结构；（b）紫外可见吸收光谱和光致发光光谱；（c）不同泵注量下脉冲激发（3ns）发射光谱的演化；（d）光致发光、ASE和FWHM作为泵注量的函数关系；（e）当膜顺序暴露于氧气，空气（相对湿度为30％）和氮气时，在脉冲操作（70μJcm^-2）下ASE强度的变化。

图2.P2F8和N2F8钙钛矿膜的DFB腔和脉冲激光特性。（a）空气沟槽宽度w =120 nm，光栅周期Λ=250 nm和光栅高度h=60 nm 的DFB腔的图案设计（左）和顶SEM图像（右）；（b）在紫外线灯和在DFB衬底上旋涂的P2F8膜的SEM图像，钙钛矿层的厚度为90nm；（c）激光强度作为脉冲能量的函数；（d，e）在P2F8（d）和N2F8（e）阈值附近，脉冲激发下发射光谱的演化；（f）P2F8薄膜激光光束的远场模式。

图3.P2F8和N2F8钙钛矿膜的连续激光发射特性。（a，b）在不同功率的连续波激发下发射光谱的演变；（c）激光强度随C W泵强度的变化而变化；（d）激光峰值波长与光栅周期的关系；（e）CW激光远场图案的照片；（f）CW激光的偏振特性。

（文：Caspar）