北京大學(xué)工學(xué)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(jìn)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(diǎn)形式報(bào)道。

近年來，鈣鈦礦材料作為一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，因具有載流子遷移速率大、擴(kuò)散長度長、吸收系數(shù)大、量子產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用。鈣鈦礦微型激光器不僅具有極低的激光閾值，同時(shí)工作波長調(diào)諧范圍可覆蓋近紅外到可見光。而混合準(zhǔn)二維鈣鈦礦薄膜材料，因其獨(dú)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(xué)氣相沉積法成功在云母襯底上生長出具有高光學(xué)質(zhì)量和穩(wěn)定性的純無機(jī)鈣鈦礦CsPbX3（X=Cl、Br、I）單晶納米片材料，并實(shí)現(xiàn)了整個(gè)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(jī)鈣鈦礦CsPbX3納米片結(jié)構(gòu)支持回音壁式（whispering gallery mode）的光學(xué)振蕩，光學(xué)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(shí)，實(shí)驗(yàn)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(jī)半導(dǎo)體材料，從而對研究強(qiáng)光-激子耦合作用的基礎(chǔ)研究具有重要意義。同時(shí)，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(jìn)展及其在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)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(gè)方面重點(diǎn)討論了鈣鈦礦材料的激射特性；同時(shí)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(diǎn)等材料對鈣鈦礦激光器各項(xiàng)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(zhǔn)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(dòng)力學(xué)進(jìn)行了詳細(xì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(dòng)，薄膜內(nèi)部光誘導(dǎo)產(chǎn)生的電子和空穴會(huì)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(dǎo)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(kuò)散效率，減少電子空穴的復(fù)合幾率，提高載流子的提取效率。這一結(jié)果可促進(jìn)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(yīng)用。

 

 

 

 

 

 

準(zhǔn)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFA0205700；2017YFA0304600）、青年千人計(jì)劃及清華大學(xué)低維與量子物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。