北京大學工學院張青課題組近期在鈣鈦礦微型激光器研究中取得重要進展，相關(guān)文章依次發(fā)表在國際著名期刊Advanced Functional Materials（DOI:10.1002/adfm.201601690）、 Small Methods（DOI: 10.1002/smtd.201700163）和The Journal of Physical Chemistry Letters（DOI:10.1021/acs.jpclett.7b01857）上，工作被Wiley Materials & Views以亮點形式報道。

近年來，鈣鈦礦材料作為一種直接帶隙半導體材料，因具有載流子遷移速率大、擴散長度長、吸收系數(shù)大、量子產(chǎn)率高等優(yōu)點，使得其不僅在光伏領(lǐng)域具有優(yōu)異的表現(xiàn)，在微納激光器以及光電探測等領(lǐng)域也具有廣泛的應用。鈣鈦礦微型激光器不僅具有極低的激光閾值，同時工作波長調(diào)諧范圍可覆蓋近紅外到可見光。而混合準二維鈣鈦礦薄膜材料，因其獨特的幾何結(jié)構(gòu)、可變的帶隙能量和較高的穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，使其在光伏和光電器件領(lǐng)域備受矚目。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 a 不同維度鈣鈦礦微型激光器；b 可見光波段調(diào)諧的高品質(zhì)激光器

在鈣鈦礦微型激光器研究方面，張青課題組使用化學氣相沉積法成功在云母襯底上生長出具有高光學質(zhì)量和穩(wěn)定性的純無機鈣鈦礦CsPbX3（X=Cl、Br、I）單晶納米片材料，并實現(xiàn)了整個可見波段調(diào)諧的高品質(zhì)激光器（High-Quality Whispering-Gallery-Mode Lasing from Cesium Lead Halide Perovskite Nanoplatelets）。結(jié)果表明，純無機鈣鈦礦CsPbX3納米片結(jié)構(gòu)支持回音壁式（whispering gallery mode）的光學振蕩，光學激射峰在400-700nm，半高寬僅為0.14nm，閾值為2.2J/cm2，激光相干性為同類型激光器中最高；同時，實驗獲得CsPbX3的激子結(jié)合能為20-73meV，明顯高于等同禁帶寬度的無機半導體材料，從而對研究強光-激子耦合作用的基礎(chǔ)研究具有重要意義。同時，基于對鈣鈦礦材料微型激光器件的深入研究，張青研究員受邀撰寫基于鈣鈦礦微型激光器件的最新研究進展及其在光電器件領(lǐng)域的應用的綜述論文（Advances in Perovskite-based Small Lasers，Small Methods, DOI: 10.1002/smtd.201700163）。文章從晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和帶隙工程、激子和自發(fā)輻射以及光增益四個方面重點討論了鈣鈦礦材料的激射特性；同時從材料的維度出發(fā)，討論了鈣鈦礦薄膜、納米片、納米線和量子點等材料對鈣鈦礦激光器各項參數(shù)的影響，并探討了鈣鈦礦微型激光器存在的問題及可行的解決方案。

在混合準二維鈣鈦礦薄膜材料研究方面，張青課題組采用瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)和熒光光譜技術(shù)，對包含不同相的二維鈣鈦礦混合物(PEA)2(MA)n-1PbnI3n+1 (PEA=C6H5CH2CH2NH3，MA=CH3NH3+)及其載流子動力學進行了詳細研究（Unveiling Structure Engineered Carrier Dynamics in Hybrid Quasi-Two-Dimensional Perovskites Thin Film Towards Controllable Emission）。通過對比在鈣鈦礦薄膜正反兩面激發(fā)得到的實驗數(shù)據(jù)，課題組發(fā)現(xiàn)這些不同組分的二維鈣鈦礦層在沿垂直基底的方向上是按照n值由基底向外逐漸增大排列的；另一方面，通過開爾文探針力顯微分析法（KPFM），證明了材料表層同時自由分布著不同n值的鈣鈦礦材料。受二維鈣鈦礦層的能級驅(qū)動，薄膜內(nèi)部光誘導產(chǎn)生的電子和空穴會在垂直于基底的方向上發(fā)生載流子（電子和空穴）分離：電子從小n到大n方向轉(zhuǎn)移，而空穴的轉(zhuǎn)移方向則相反。這種內(nèi)部載流子分離可導致電子和空穴分別累積在薄膜的上下表層，有助于提高光生載流子分別向上下表面的擴散效率，減少電子空穴的復合幾率，提高載流子的提取效率。這一結(jié)果可促進二維層狀鈣鈦礦薄膜在太陽能轉(zhuǎn)換和光電探測等領(lǐng)域的應用。

 

 

 

 

 

 

準二維n=3(a,b,c)和n=5(d,e,f)鈣鈦礦薄膜材料反面激發(fā)瞬態(tài)吸收光譜

以上研究得到國家重點研發(fā)計劃（2017YFA0205700；2017YFA0304600）、青年千人計劃及清華大學低維與量子物理國家重點實驗室的支持。