钙钛矿微纳激光器研究进展
发布时间：2020-12-31 03:24
钙钛矿材料作为新兴半导体材料,具有吸收系数大、载流子扩散长度长、缺陷态密度低和带隙可调谐等优点,在太阳能电池、光源等光电领域有着广泛的应用前景。本文主要探讨钙钛矿材料作为激光增益介质,应用于微纳激光领域所取得的成果与研究进展,并对不同激光腔的模式分类进行总结概述,最后对钙钛矿微纳激光的发展前景进行展望。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020年07期 北大核心
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
钙钛矿晶体结构[22]。（a）钙钛矿晶胞单元结构图；（b）通式ABX3钙钛矿三维晶体结构图
由于钙钛矿晶体的Pb-X键和能带结构相关，从氯到溴到碘的替换，带隙依次减小[39]，因此可以通过卤素离子的替换实现钙钛矿材料发射波长的可调谐。此外，通过混合卤素元素对钙钛矿材料进行调控，实现了发射波长的连续调谐。2013年，Noh等[40]通过改变MAPb(I1-xBrx)3纳米复合物中的溴使得吸收带从786nm蓝移到544nm，带隙增大[图2(a)];2014年，Xing等[26]通过调节混合的MAPbClxBr3-x和MAPbBryI3-y中的卤素离子的比例，即x和y的值，实现从390nm到790nm可见到近红外的宽谱连续调谐[图2(b）]；之后，Protesescu等[41-43]分别实现单晶、纳米线和纳米片形状无机钙钛矿CsPbX3发射波长从可见到红外的可调谐。由于A位离子的半径和晶体结构的容忍因子有关，所以改变A位阳离子，也可以实现能带的调谐[图2(c）、（d）]。2015年，Zhu等[44]通过在混合溶液中增加甲胺碘（MAI）浓缩液，将（MA,FA)Pb(Br,I)3纳米线的荧光光谱连续红移；2016年，Fu等[45]将FAPbBr3中的FA换成MA，光谱将红移10nm，并通过调节（MA,FA)Pb(Br,I)3中A位阳离子和卤素离子的比例，实现发射波长从490nm到824nm的调谐[图2(e）]。对于B位元素的调谐，采用Sn元素取代，可以实现近红外波段的辐射[46]。另外，发展非铅基的钙钛矿材料，不仅可以实现光谱展宽，还可以推进无毒性钙钛矿技术的应用，提高钙钛矿激光的性能。2.4 非线性光学特性
2018年，Hu等[71]在实验中证明，将CsPbBr3钙钛矿量子点嵌入硅球中比纯无机钙钛矿量子点的发光性能和稳定性要更好，如图5(a）所示，将其作为增益介质，实现了频率上转换激光输出[72]。除了上述的球形谐振腔，微管结构也可以作为高性能激光器的谐振腔[32,73]。Liu等之后将CsPbBr3-SiO2微米球放进直径40μm的圆柱形微管，利用微管和钙钛矿介质的折射率差形成的谐振腔，实现高性能WGM激光的输出[图5(b）]，在800nm、35fs激光泵浦下，其阈值为430μJ/cm2，半峰全宽为0.35nm，品质因子高达1532，并在激发阈值之上连续激发超过140 min，激光性能保持稳定。随后2019年，Tang等[74]使用CdS作为壳材料对单个CsPbBr3钙钛矿量子点进行封装[图5(c）]，实验证明通过核壳结构单颗粒包覆使得钙钛矿量子点有着超高的化学稳定性以及高的荧光量子产率，同时减少非辐射复合，有效改善量子点的闪烁发光问题。如图5(d）所示，将该结构放进圆柱形微管形成的谐振腔中，通过双光子泵浦（800nm,35fs,1kHz）在大于泵浦阈值（980μJ/cm2）时，实现高性能WGM模式激光输出（半峰全宽为0.44nm，品质因子为1217）。除了高维钙钛矿材料的激光激射，Yang等[75]在2019年通过常温反相微乳液合成了零维钙钛矿Cs4PbBr6亚微米盘。相比于传统的高维钙钛矿材料，零维电子结构具有较大的激子结合能、独特的光电性能以及更好的稳定性。研究证明了Cs4PbBr6内部极化子的存在，揭示了绿色激发光是零维钙钛矿Cs4PbBr6的本征发光而不是嵌入的CsPbBr3杂质发光；并分别在单光子（400 nm,35fs,1kHz）和双光子激发（800nm,35fs,1kHz）下，均实现低阈值（76.5μJ/cm2和389.7μJ/cm2）和高品质因子（Q为1551和1596）的单模WGM激光发射[图5(e）]。图5 不同方案实现的WGM模式激光。（a）将无机钙钛矿CsPbBr3量子点嵌入二氧化硅球以及发光原理[72];(b）将CsPbBr3-SiO2微米球放进直径40μm的圆柱形微管中的发光图像以及WGM模式激光的原理[72];(c)CdS/CsPbBr3壳核结构[74];(d)CsPbBr3/CdS核/壳结构放入圆柱形微管中产生WGM激光以及内嵌图为发光原理的图片[74];(e）无机钙钛矿Cs4PbBr6微盘，随着激发光强增大，出现WGM激光[75]
【参考文献】：
期刊论文
[1]有机-无机杂化钙钛矿激光器的研究进展[J]. 纪兴启,李国辉,崔艳霞,孔维民,刘艳珍,郝玉英. 半导体技术. 2018(06)
本文编号：2948864
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020年07期 北大核心
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
钙钛矿晶体结构[22]。（a）钙钛矿晶胞单元结构图；（b）通式ABX3钙钛矿三维晶体结构图
由于钙钛矿晶体的Pb-X键和能带结构相关，从氯到溴到碘的替换，带隙依次减小[39]，因此可以通过卤素离子的替换实现钙钛矿材料发射波长的可调谐。此外，通过混合卤素元素对钙钛矿材料进行调控，实现了发射波长的连续调谐。2013年，Noh等[40]通过改变MAPb(I1-xBrx)3纳米复合物中的溴使得吸收带从786nm蓝移到544nm，带隙增大[图2(a)];2014年，Xing等[26]通过调节混合的MAPbClxBr3-x和MAPbBryI3-y中的卤素离子的比例，即x和y的值，实现从390nm到790nm可见到近红外的宽谱连续调谐[图2(b）]；之后，Protesescu等[41-43]分别实现单晶、纳米线和纳米片形状无机钙钛矿CsPbX3发射波长从可见到红外的可调谐。由于A位离子的半径和晶体结构的容忍因子有关，所以改变A位阳离子，也可以实现能带的调谐[图2(c）、（d）]。2015年，Zhu等[44]通过在混合溶液中增加甲胺碘（MAI）浓缩液，将（MA,FA)Pb(Br,I)3纳米线的荧光光谱连续红移；2016年，Fu等[45]将FAPbBr3中的FA换成MA，光谱将红移10nm，并通过调节（MA,FA)Pb(Br,I)3中A位阳离子和卤素离子的比例，实现发射波长从490nm到824nm的调谐[图2(e）]。对于B位元素的调谐，采用Sn元素取代，可以实现近红外波段的辐射[46]。另外，发展非铅基的钙钛矿材料，不仅可以实现光谱展宽，还可以推进无毒性钙钛矿技术的应用，提高钙钛矿激光的性能。2.4 非线性光学特性
2018年，Hu等[71]在实验中证明，将CsPbBr3钙钛矿量子点嵌入硅球中比纯无机钙钛矿量子点的发光性能和稳定性要更好，如图5(a）所示，将其作为增益介质，实现了频率上转换激光输出[72]。除了上述的球形谐振腔，微管结构也可以作为高性能激光器的谐振腔[32,73]。Liu等之后将CsPbBr3-SiO2微米球放进直径40μm的圆柱形微管，利用微管和钙钛矿介质的折射率差形成的谐振腔，实现高性能WGM激光的输出[图5(b）]，在800nm、35fs激光泵浦下，其阈值为430μJ/cm2，半峰全宽为0.35nm，品质因子高达1532，并在激发阈值之上连续激发超过140 min，激光性能保持稳定。随后2019年，Tang等[74]使用CdS作为壳材料对单个CsPbBr3钙钛矿量子点进行封装[图5(c）]，实验证明通过核壳结构单颗粒包覆使得钙钛矿量子点有着超高的化学稳定性以及高的荧光量子产率，同时减少非辐射复合，有效改善量子点的闪烁发光问题。如图5(d）所示，将该结构放进圆柱形微管形成的谐振腔中，通过双光子泵浦（800nm,35fs,1kHz）在大于泵浦阈值（980μJ/cm2）时，实现高性能WGM模式激光输出（半峰全宽为0.44nm，品质因子为1217）。除了高维钙钛矿材料的激光激射，Yang等[75]在2019年通过常温反相微乳液合成了零维钙钛矿Cs4PbBr6亚微米盘。相比于传统的高维钙钛矿材料，零维电子结构具有较大的激子结合能、独特的光电性能以及更好的稳定性。研究证明了Cs4PbBr6内部极化子的存在，揭示了绿色激发光是零维钙钛矿Cs4PbBr6的本征发光而不是嵌入的CsPbBr3杂质发光；并分别在单光子（400 nm,35fs,1kHz）和双光子激发（800nm,35fs,1kHz）下，均实现低阈值（76.5μJ/cm2和389.7μJ/cm2）和高品质因子（Q为1551和1596）的单模WGM激光发射[图5(e）]。图5 不同方案实现的WGM模式激光。（a）将无机钙钛矿CsPbBr3量子点嵌入二氧化硅球以及发光原理[72];(b）将CsPbBr3-SiO2微米球放进直径40μm的圆柱形微管中的发光图像以及WGM模式激光的原理[72];(c)CdS/CsPbBr3壳核结构[74];(d)CsPbBr3/CdS核/壳结构放入圆柱形微管中产生WGM激光以及内嵌图为发光原理的图片[74];(e）无机钙钛矿Cs4PbBr6微盘，随着激发光强增大，出现WGM激光[75]
【参考文献】：
期刊论文
[1]有机-无机杂化钙钛矿激光器的研究进展[J]. 纪兴启,李国辉,崔艳霞,孔维民,刘艳珍,郝玉英. 半导体技术. 2018(06)
本文编号：2948864
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