防水的钙钛矿多边形微盘激光及在柔性光子学器件中的应用

柔性光电子器件(Flexible photo-electronics devices, FPED)相较于传统硬质光电器件体现出其独特的柔性、可裁剪性、轻巧便携等诸多优点备受瞩目和期待。现已经在大规模集成电路、有机发光二极管、场效应晶体管、柔性太阳能电池和穿戴电子等众多实用领域展露锋芒。更为重要的是,将器件集成或内嵌到柔性衬底中,可以起到极好的保护作用,使得器件在苛刻环境下也可以保持长期稳定的正常工作。现阶段,电子学器件高度集成导致互连延时以及巨大的热效应,使得电子学集成逼近极限,发展光子学器件势在必行。然而,将光子学器件集成到柔性介质中,该介质所提供的外界环境折射率激增会威胁到全反射(Total internal reflection, TIR)导致多数光子学元件的正常工作严重受损,使得柔性光子学器件(Flexible photonics devices, FPD)面临巨大挑战。在此之前,仍没有任何高折射率环境下柔性光子学器件的报道。

有机无机杂化金属卤化物钙钛矿(MAPbX3, X=Cl,Br,I)材料在光电器件方面的突出表现,受到广泛关注。报道证实该材料是一种非常好的光学增益介质,可以通过卤素比例控制其在整个可见光谱范围内受激发射,是非常理想的激光材料。然而,由于材料本身水稳定性极差,大大限制了其实际应用,这一问题以成为钙钛矿材料领域的核心问题,亟待解决。

AOM-fuhongbing

中国科学院化学研究所分子动态稳态国家重点实验室的付红兵课题组,一直致力于微纳米尺寸下材料的自组装以及光子学的设计集成研究。近期,该课题组选取有机无机杂化钙钛矿MAPbBr3材料,通过精确调控不同晶面生长速率,首次通过一步法分别制备了二维的四边形、六边形、八边形三种多边形单晶微盘激光器,并首次对钙钛矿晶体的可控生长动力学过程做了系统研究。重要的是,三种多边形微盘激光器被成功集成到了高折射率聚合物柔性介质中。通过系统的实验探究和光学模拟进一步证明,自组装形成的多边形微盘可作为天然的高品质回音壁谐振腔使其在高折射率柔性介质中仍然可以作为高质量激光光源。更为巧妙的是,利用聚合物的外部挟裹提供的保护作用,克服了钙钛矿材料水稳定性差的关键问题,成功实现了防水钙钛矿微盘激光器,实验中观察到多边形在浸水10小时后仍然保持很好的激光性能。

该工作在钙钛矿晶体生长动力学研究和防水应用方面具有指导意义,同时首次提出并实现的柔性光子学器件集成也为光子学的进一步实用化提供了新的思路和方向。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201600335)上,第一作者为中国科学院化学研究所博士生张海华。