太原理工在二維鈣鈦礦激光領(lǐng)域取得重要進展

日前，太原理工大學(xué)光電工程學(xué)院納米光電子器件崔艷霞教授、李國輝副教授團隊和隆德大學(xué)Kaibo Zheng教授&Tonu Pullerits院士合作在二維鈣鈦礦激光領(lǐng)域取得重要研究進展，研究以“Localized bound multiexcitons in engineered quasi-2D Perovskites grains at room temperature for efficient lasers”為題發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》(影響因子32.086)。該論文的第一署名單位為太原理工大學(xué)，李國輝為論文第一作者，崔艷霞、Kaibo Zheng、Tonu Pullerits為論文共同通訊作者。

鈣鈦礦由于具有高光學(xué)增益、平衡的載流子遷移率以及可溶液加工等特性，成為一種具有前景光明的激光增益半導(dǎo)體材料。目前，基于鈣鈦礦材料已成功研制出具有高相干性和可調(diào)諧的薄膜、納米晶和極化激元等多種類型激光。然而，三維(3D)鈣鈦礦中占主導(dǎo)的自由電子和空穴的雙分子復(fù)合發(fā)光過程在低載流子濃度下效率較低，并且受陷阱輔助非輻射復(fù)合的高度調(diào)制，使得布居反轉(zhuǎn)所需的載流子濃度大大提高，從而限制鈣鈦礦激光器的能量效率。

圖1.準(zhǔn)二維鈣鈦礦PEA2(CH3NH3)n-1PbnBr3n+1中束縛多極子的形成機制及材料特性

圖2.準(zhǔn)二維鈣鈦礦PEA2(CH3NH3)n-1PbnBr3n+1薄膜中的多激子光譜學(xué)特性

圖3.準(zhǔn)二維鈣鈦礦PEA2(CH3NH3)n-1PbnBr3n+1薄膜中的多激子受激輻射光譜及輸入輸出特性

降低激發(fā)閾值并最小化焦耳熱對于鈣鈦礦激光二極管的實現(xiàn)至關(guān)重要。盡管束縛激子有望用于低閾值激光，但在基于準(zhǔn)二維鈣鈦礦的器件中，如何在室溫下為激光應(yīng)用生成束縛激子仍不清楚。鑒于此，研究團隊提出開展室溫下準(zhǔn)二維鈣鈦礦晶粒的精密設(shè)計從而局域束縛多激子用于高效激光，并在實驗通過反溶劑法制備精確設(shè)計的準(zhǔn)二維鈣鈦礦PEA2(CH3NH3)n-1PbnBr3n+1微觀晶粒，成功地展示了在0.97μJ cm-2的極低泵浦能量密度下的室溫多激子輻射復(fù)合，這只是經(jīng)典二維材料2D CdSe納米片所需的四分之一。此外，準(zhǔn)二維鈣鈦礦晶粒中定義明確的平移動量可以限制不利于輻射復(fù)合的俄歇復(fù)合。此外，準(zhǔn)二維鈣鈦礦晶粒有利于增加激子和雙激子的結(jié)合能以及相關(guān)的輻射復(fù)合。因此，制備的相準(zhǔn)二維鈣鈦礦薄膜使室溫受激發(fā)射的閾值低至13.7μJ cm-2，相對于具有較大晶粒的無定形態(tài)對應(yīng)物降低了58.6%。這項工作的發(fā)現(xiàn)有望促進可溶液加工的鈣鈦礦多激子激光二極管的開發(fā)。

崔艷霞，太原理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家優(yōu)青，多年來專注于納米結(jié)構(gòu)增強型光子及光電子器件的制造、表征與應(yīng)用研究，在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.、Laser & Photon. Rev.等期刊上發(fā)表論文139篇，H指數(shù)28，論文引用次數(shù)4728次(google scholar)，單篇引用次數(shù)最高922次。主持國家級項目5項（含重點項目1項）、省部級項目14項，出版學(xué)術(shù)專著1部，授權(quán)專利17項、申請專利17項(含美國專利3項)，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議上做邀請報告24次。獲山西省自然科學(xué)獎二等獎1項(排名第1)，入選Elsevier光學(xué)工程學(xué)科中國高被引學(xué)者、香江學(xué)者，獲瑪麗·居里行動計劃Seal of Excellence榮譽、“強國青年科學(xué)家”提名獎等。主講光學(xué)電磁理論(研究生)、光電傳感與檢測技術(shù)(本科)等課程。主持教改項目2項，發(fā)表教改論文3篇。

李國輝，太原理工大學(xué)，光電工程學(xué)院，副教授。博士畢業(yè)于華東師范大學(xué)。主要從事微納光電器件的研究，主持國家基金以及山西省重點研發(fā)計劃等省部級項目7項，在微納光電器件方面取得了一系列研究成果，在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Opt. Mater.、Photonics Res.等國際知名期刊發(fā)表論文50余篇，申請/授權(quán)發(fā)明專利17項。 論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202211591

審核編輯 ：李倩