可控钙钛矿/氮化硅微盘激光器

光电器件的小型化、高集成度、低功耗是现代光电技术的主要发展方向之一。基于光电器件向小型化,高集成度,低功耗的发展方向,人们广泛展开了对新材料、新腔体设计以及新的物理机制方向的研究。微纳激光光源作为光电器件的重要组成部分,其在光学集成芯片,生物传感等领域内有着巨大的潜在应用价值。过去数十年间对微纳激光器的研究取得了长足的进展,但目前的微/纳米激光器仍面临着以下两个方面的挑战:传统微纳激光器通常是通过掺杂染料的聚合物和III-V半导体等作为增益材料,其他材料(例如GaN,ZnO,Cds]和新型卤化铅钙钛矿材料也可作为半导体微纳激光器增益介质。但是这些材料难以集成到半导体光子平台中(如硅和氮化硅等)。其次,传统半导体材料的激子结合能非常小,在室温下不能稳定存在,使得对光与物质相互作用的研究大多只能在低温下进行。 有机卤化铅钙钛矿材料具有优异的光学性质,例如大的光学吸收系数、高载流子迁移率、长的电子-空穴扩散长度,室温下稳定存在的激子,带隙可调等,近年来对其在光伏领域内的研究进展迅速。 研究发现,卤化铅钙钛矿材料还可作为良好的激光增益介质。利用溶液合成和微纳加工的方法制备的钙钛矿微盘展现了良好的激光特性。但是溶液合成的钙钛矿晶体合成后其形状固定,尺寸相对随机,使得其在实际应用中极为受限,微纳加工制备的钙钛矿微盘则会在一定程度上损伤钙钛矿材料的光电性能。

基于此,哈尔滨工业大学(深圳)肖淑敏课题组近日研究探索了一种钙钛矿和氮化硅基底所组成的新型微纳激光腔体构型。实验中通过电子束曝光和刻蚀制备功能性的氮化硅基底,并通过将钙钛矿纳米薄片转移覆盖在氮化硅基底上,在不损伤钙钛矿材料光电性质的同时,研究人员得到了不同形状的钙钛矿/氮化硅谐振腔。利用钙钛矿纳米薄片良好的柔性,钙钛矿材料可以紧贴在氮化硅基底表面,激光器的谐振腔由氮化硅基底形状决定,钙钛矿纳米薄片则可提供光学增益。进而,研究人员在实验上实现了模式数目、模式间距、方向受控的回音壁模式微纳激光器。此外,通过制备氮化硅微盘阵列,也可实现钙钛矿/氮化硅的微盘激光器阵列。研究人员还制备了耦合型的腔体结构,研究了回音壁模式激光器之间的耦合效应。

该工作展示了钙钛矿纳米薄片与氮化硅微盘混合结构作为片上光源的潜力,对片上生物传感芯片等应用将提供助力。同时,这一构型还为研究光与物质相互作用提供了一个良好平台。

该工作近日以Back Cover 形式发表在Laser & Photonics Reviews(DOI: 10.1002/lpor.201800189)上, 第一作者是哈尔滨工业大学(深圳)博士生黄灿。首都师范大学付红兵教授,哈尔滨工业大学(深圳)肖淑敏教授和宋清海教授为共同通讯作者。