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工學院張青課題組在鈣鈦礦半導體激子極化激元及連續光泵浦綠色微納激光研究上取得進展

2020-08-31

隨著5G無線通信、片上光互聯、消費電子等行業的迅速發展,對激光器的集成化、小型化、低功耗等的需求日益攀升。半導體微納激光器成為了光電材料與信息器件領域重要的研究方向。但是在微納尺度下,半導體材料存在表麵缺陷濃度高、增益體積受限、發熱嚴重等問題,實現其電泵浦激光非常困難。無需粒子數反轉的激子極化激元激光為降低激光閾值、實現電泵浦微納激光提供了解決方案。近年來,得益於其優異的光電性質,金屬鹵化物鈣鈦礦半導體材料在光電信息領域展現出巨大的應用潛力。而其室溫下可穩定存在的激子、較大的激子結合能,為研究激子極化激元提供了良好的平台。

基於以上研究背景,免费开户送58元体验金_开户免费送白菜娱乐网_八大胜开户网址_开户送体验金app下载_乐城开户送38元体验金張青研究員課題組研究了一維CsPbBr3鈣鈦礦納米材料的激子極化激元特性,闡述了其對光傳播行為的影響機製,發現了激子極化激元導致的慢光效應和光吸收增強效應,並實現了連續光泵浦綠色微納激光。工作分別發表在Nano Lett. (2020, 20, 1023−103)和Nano Lett. (doi: 10.1021/acs.nanolett.0c02462)。


圖a. 左圖:低維CsPbBr3納米線中激子極化激元傳播示意圖;右圖:由空間分辨熒光光譜技術測得的波導譜及相應的激子極化激元色散曲線。圖b. CsPbBr3納米帶-藍寶石體係中連續光泵浦激光光譜

利用空間分辨熒光光譜技術,課題組首先研究了室溫下CsPbBr3納米線中的激子極化激元對光傳輸及折射率的影響機製。結果表明,室溫下光以激子極化激元形式傳播,在激子共振能量附近,激子組分增加,從而導致群折射率和光吸收係數的顯著增加。與此同時,與塊體薄膜材料相比,納米線的群折射率增加了3倍,光吸收係數增加了5倍(Nano Lett. 2020, 20, 1023−1032)。進一步,他們發現CsPbBr3群折射率隨著溫度的降低而逐漸增加,在78 K時,可達到43.7。該效應將顯著提高模式的限製因子,減少光學損耗,從而降低激光閾值。基於此,他們優化了CsPbBr3的生長工藝,使用具有較高熱導率的藍寶石襯底和平均厚度低於120 nm的納米帶,實現了連續光泵浦的綠色微納激光。該激光的閾值在7.8 K和78 K下低至0.13 kW cm-2和2.6 kW cm-2,當溫度高於100 K時,閾值將提升至10 kW cm-2以上。此外,他們還分析了該體係獲得電泵浦激光的可能性(Nano Lett. doi: 10.1021/acs.nanolett.0c02462)。這兩項研究闡明了一維CsPbBr3鈣鈦礦材料的光子-激子相互作用特性、激子極化激元傳播行為以及其對低功耗激光的影響機製,為實現電泵浦鈣鈦礦微納激光提供了思路。

該係列工作與國家納米科學中心、北京大學物理學院、澳門大學、中科院半導體所、青島科技大學等多個單位合作完成。研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助。

 

論文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04175

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02462