基于全无机钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器

近年来, 钙钛矿材料在太阳能电池和光电子器件等领域体现了非常优异的性能, 这主要归功于这种材料极高的光学吸收系数、均衡的电子和空穴迁移率、超长的光生载流子扩散长度和寿命、低的缺陷密度、小的激子结合能等光伏特性。钙钛矿是一种直接带隙半导体材料, 因具有带隙可调、吸收系数大、光学增益高、量子产率高以及缺陷态密度低等优点, 使其成为设计微纳激光器和光电探测器的理想材料。其中, 钙钛矿纳米线、纳米片和量子点等微纳结构,具有极低的激光阈值,其发光波长的调谐范围可以覆盖可见光到近红外波段,因此在微纳激光器和集成光电子学领域有着极其重要的应用前景。

最近, 国家纳米科学中心标准与检测重点实验室的刘新风课题组在基于无机钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器的研究方面取得新进展, 这是继课题组发现有机-无机杂化钙钛矿纳米线中光子和激子发生强相互作用 (Advanced Optical Materials, 6,1701032, 2018)以及实现低阈值全无机polartion激光器(ACS Photonics, 5, 2051, 2018)后,在推进低阈值和微型化激光器方面前进的又一小步。

图1:基于钙钛矿CsPbBr3纳米线的表面等离激元激光器示意图、激射偏振特性及其激射阈值随着纳米线的尺寸的变化规律

在本研究中, 作者使用化学气相沉积法成功在硅片衬底上生长出具有高光学质量和稳定性的全无机钙钛矿CsPbBr3单晶纳米线材料,构建了表面等离激元器件, 并在室温的条件下实现了低阈值(6.5 μJ/cm2)的激射。表面等离激元器件超出传统光学器件的衍射极限的限制, 研究表明该器件具有平行于NW轴的偏振发射特性,结合理论模拟结果证明了这种器件中的等离激元模式; 瞬态荧光寿命研究表明, 由于形成表面等离激元器件的Purcell 效应,CsPbBr3纳米线的辐射复合寿命明显缩短, 最终得出最高的Purcell因子约为6.14; 另一方面,该器件的激射阈值随着纳米线的长度增加而增大, 与光子器件相比体现出更小的尺寸和集成潜力。该研究成果是基于全无机钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器的研究方面取得的新进展, 也是实现低阈值钙钛矿等离激元激光器的重要进展。该研究表明, 这些生长形成的全无机钙钛矿CsPbBr3纳米线在集成光子学, 量子光学, 光通信和量子信息技术等方面都有很大的应用潜力。

相关研究成果以“All-Inorganic CsPbBr3 Nanowire Based Plasmonic Lasers” 为题,在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201800674)上。

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