激光与光电子学进展, 2020, 57 (7): 071602, 网络出版: 2020-03-31   

钙钛矿微纳激光器研究进展 下载: 4355次特邀综述封底文章

Review of Perovskite Micro -and Nano-Lasers
黄斯豪 1,3刘征征 1,3杜鹃 1,2,3,*冷雨欣 1,2,3,4,**
作者单位
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学杭州高等研究院, 浙江 杭州 310024
3 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
4 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 201210
摘要
钙钛矿材料作为新兴半导体材料,具有吸收系数大、载流子扩散长度长、缺陷态密度低和带隙可调谐等优点,在太阳能电池、光源等光电领域有着广泛的应用前景。本文主要探讨钙钛矿材料作为激光增益介质,应用于微纳激光领域所取得的成果与研究进展,并对不同激光腔的模式分类进行总结概述,最后对钙钛矿微纳激光的发展前景进行展望。
Abstract
As a new semiconductor material, perovskite material has the advantages of large absorption coefficient, long carrier diffusion length, low defect density, and tunable bandgap, and has wide application prospects in photovoltaic fields such as solar cells and light sources. This paper mainly discusses the achievements and research progress of perovskite as laser gain medium in the field of micro-nano laser, and summarizes the classification of different laser cavity modes. Finally, the development prospects of perovskite material micro-nano laser are prospected.

1 引言

自1960年梅曼研制的第一台红宝石激光器问世以来[1],激光技术在近60年间迅猛发展,凭借其高强度和强相干性等特性,已广泛应用于光通信、光谱学和成像等领域[2-5]。近年来,随着纳米科技的飞速发展,光电子元器件的发展越来越趋向于小型化和集成化[6]。新型的微纳激光器由于其物理尺寸有望突破传统的衍射极限,并且具有小尺寸(微米或亚微米量级)、低损耗等优点,在高密度信息存储、生物成像、超灵敏传感器、光学集成应用和全息等领域有着潜在的应用前景,引起人们的广泛关注和研究[7-10]

在过去的三十年里,大量的无机和有机半导体纳米材料作为优良的增益介质,可以引发受激辐射现象;本身还可以作为光学谐振腔,提供光反馈,被广泛应用于微纳激光器的研究[11-12]。从2001年Huang等[9]在光泵浦的单晶氧化锌纳米线中观察到激光发射以来,激光的发射先后在各种半导体纳米结构中实现,例如纳米线、纳米片、量子点和光子晶体等[13-18]。尽管半导体微纳激光已经取得了很多的研究成果,但是仍然有很多技术上难题,阻碍半导体微纳激光器的进一步应用。例如,部分无机半导体材料依赖于昂贵的高温真空处理条件[19],可以替代的有机半导体材料和胶体量子点却分别被低损伤阈值和高的表面缺陷浓度限制;其次,微型化的固态激光器增益介质光学损失大,比如俄歇复合损失和固有的热损伤,使得激光阈值高[20];最后,优良的载流子输运的特性是实现电注入的半导体微纳激光器急需解决的问题[21-22]。所以,发展高增益、低阈值、稳定性好的半导体微纳激光器具有重大意义。

在过去的十年,钙钛矿作为人们关注的焦点,取得了巨大的科学进展。从2009年Kojima等[23]第一次利用有机无机杂化钙钛矿MAPbI3实现染料敏化太阳能电池到2019年,太阳能电池的光电转换效率已经从3.8%提升到24.2%,可以与商业的硅和碲化镉太阳能电池相媲美[24]。这些都得益于钙钛矿材料的优异的光电性能,如较大的吸收系数、较低的缺陷态密度、较长的载流子扩散长度等[22]。除了在光伏领域的应用,钙钛矿作为新兴的有潜力的半导体材料,在光电探测器、LED、激光等领域也发展迅速[25]。其次,作为激光增益介质,钙钛矿具有的大吸收系数、低缺陷态密度、高荧光量子产率等优点得天独厚,同时折射率比传统的半导体材料相对较高,与环境形成较大的反射对比,是无外腔纳米激光器非常好的选择,同时也为激光器尺寸突破传统的衍射极限提供可能。

自2014年Xing等[26]首次在低温溶液法合成的有机无机杂化MAPbI3钙钛矿薄膜中实现放大的自发辐射(ASE)以来,基于不同的形貌调控,如纳米线、纳米片、单晶、量子点、亚微米球等微纳激光器相继出现,同时伴随着回音壁模式 (WGM)、法布里-珀罗(F-P)模式及随机模式激光在不同种类的钙钛矿中实现[27]。本文首先介绍钙钛矿材料的结构及其特性,然后根据不同的发射模式介绍钙钛矿微纳激光的发展状况,最后对钙钛矿激光器的发展做出总结,对其现存的问题进行阐述,并对未来钙钛矿激光的发展趋势给出自己的看法。

2 钙钛矿结构及其特性

2.1 钙钛矿晶体结构

钙钛矿是具有通式ABX3结构的一类化合物,化学结构如图1(a)所示[22]A位通常是一价阳离子,可以是有机基团,如甲胺(CH3N H3+,MA+)、甲眯(CH(NH2)2+,FA+),也可以是碱金属离子,如Cs+、Rb+等;B位通常是二价阳离子,如Pb2+、Cu2+、Sn2+等;X位现在一般为卤素元素(X=Cl-、Br-、I-)。在理想的钙钛矿立方结构中,A元素在六面体的顶点位置,B元素位于六面体的中心位置,X元素位于六个面的中心位置,XB元素在一个单元的晶胞中形成[BX6]4-八面体结构。每8个[BX6]4-八面体在空间上构建一个三维的立方结构,并且八面体位于这个结构的边角上。阳离子A占据了由八个八面体组成的立方面体空腔的中心位置,维持着系统的电中性,如图1(b)所示。

图 1. 钙钛矿晶体结构[22]。(a)钙钛矿晶胞单元结构图;(b)通式ABX3钙钛矿三维晶体结构图

Fig. 1. Perovskite crystal structure[22]. (a) Perovskite cell structure; (b) general ABX3 perovskite 3D crystal structure

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ABX的半径和能否形成稳定的钙钛矿结构有很大的关系,决定着钙钛矿晶体结构的容忍因子t= (rA+rX)2(rB+rX)和八面体因子μ= rBrX,t表示钙钛矿晶体结构的变形状况和稳定性,μ与形成[BX6]4-八面体直接相关[22,27]。当容忍因子为0.9~1时,钙钛矿结构对称性越好,越趋向于稳定的立方钙钛矿晶体结构;当容忍因子为0.79~0.9时,通常是小的A离子或大的B离子结构发生扭曲,形成对称性低的斜方晶系或者正方晶系;当容忍因子大于1时,通常是较大的A离子,使得钙钛矿结构从三维到二维的转变[28-29]。正是钙钛矿的这种晶体结构的特点,使得钙钛矿具有丰富的理化性质。

2.2 钙钛矿的增益特性

激光是腔内能提供反馈的增益物质受到激发后形成粒子数反转产生光辐射的过程。半导体受激辐射实现光学增益的过程是:一个光子入射到半导体材料发生电子跃迁,同时产生一个和自身相同的受激辐射光子。钙钛矿作为半导体材料,能带附近的光激发态影响着电荷输运和光发射,带边缘存在着自由载流子和激子两种光激励,激子结合能反映光激发的电子空穴对的库仑相互作用的强度,决定着两种激励粒子的平衡。与传统的有机半导体(数百毫电子伏特)和无机半导体(几个毫电子伏特)的激子结合能不同,钙钛矿材料的激子结合能介于两者之间,从不同的实验方法和结果来看,通过改变钙钛矿材料的堆叠、结构和阳离子等[27],其激子结合能存在一个较宽的分布范围(几毫电子伏特到几百毫电子伏特)[30],这使得钙钛矿材料的受激辐射的机制仍然是一个争议。

当半导体的激子结合能小于热涨落能量时,会很容易离解成自由载流子;反之,自由载流子会形成激子。对于光发射的模型,钙钛矿的激子结合能一般都较大,主要是通过激子发生的辐射复合可以在相对较低的载流子密度下来获得较高的量子产率[30]。在对MAPbX3研究的实验中,发现受激辐射主要是自由载流子在带边缘的积累为电子空穴等离子体实现光辐射放大提供粒子数反转[31]。而在CsPbX3纳米粒子的受激辐射中,主要是双激子的复合机制[32]。在钙钛矿增益材料中,相对较大的激子结合能对于室温下稳定的激光发射具有重要的意义。

光学增益用来描述光入射到增益介质上,其发射光强随着距离增大而发生的指数增长的过程;光学损耗则表示光在半导体介质中传输时,发生的光子散射、非辐射复合和边缘散射等的情况。要实现激光的输出,必须满足增益大于损耗,即有正的净增益。为了进一步描述钙钛矿的激光增益特性,引入光学净增益的模型。2005年,Chan等[33]使用可变条纹长度的方法,对壳核结构的CdS / ZnS纳米晶的增益系数进行测量,随后被广泛应用到半导体增益材料中。由于泵浦光斑长度的变化,使得样品的发射强度也发生改变,则根据增益损耗的情况建立净增益模型公式 I=Aexp(gLg)-1g,其中I为输出光强,A是常数,g是增益系数,Lg是泵浦条纹长度,通过拟合可以得到增益系数。2014年,Sutherland等[34]用可变条纹长度的方法测得硅球上钙钛矿MAPbI3薄膜的净增益系数为(125±22) cm-1,增益带宽为(50±14) meV;在这之后,使用可变条纹长度的方法,分别在不同种类的钙钛矿中测得其增益系数,如MAPbI3薄膜的增益系数为250 c m-126、MAPbI3纳米晶为120 c m-134、CsPbBr3纳米晶为450 c m-135、FAPbI3纳米晶为604 c m-136以及CsPbBr3纳米棒为980 c m-137。 值得一提的是,Sutherland等[38]在原子层沉积技术获得的MAPbI3薄膜上测得迄今为止钙钛矿最高的净增益系数为(3200±830) cm-1,远远高于胶体量子点和共轭聚合物薄膜的增益系数,和传统的半导体(例如单晶GaAs)接近。钙钛矿低的缺陷态密度能够降低非辐射复合速率,从而降低激发阈值[26],同时具有吸收系数大、荧光量子产率高等优点,使得钙钛矿作为光学增益材料为高性能激光器带来可观的发展契机。

2.3 发射波长可调谐

发射波长可调谐是钙钛矿材料的一个非常有意思的特性。钙钛矿阳离子或者卤素离子的替换可以改变钙钛矿材料的带宽,进而实现发射波长从可见到红外的调谐。

由于钙钛矿晶体的Pb-X键和能带结构相关,从氯到溴到碘的替换,带隙依次减小[39],因此可以通过卤素离子的替换实现钙钛矿材料发射波长的可调谐。此外,通过混合卤素元素对钙钛矿材料进行调控,实现了发射波长的连续调谐。2013年,Noh等[40]通过改变MAPb(I1-xBrx)3纳米复合物中的溴使得吸收带从786 nm蓝移到544 nm,带隙增大[图2(a)];2014年,Xing等[26]通过调节混合的MAPbClxBr3-x和MAPbBryI3-y中的卤素离子的比例,即xy的值,实现从390 nm到790 nm可见到近红外的宽谱连续调谐[图2(b)];之后,Protesescu等[41-43]分别实现单晶、纳米线和纳米片形状无机钙钛矿CsPbX3发射波长从可见到红外的可调谐。由于A位离子的半径和晶体结构的容忍因子有关,所以改变A位阳离子,也可以实现能带的调谐[图2(c)、(d)]。2015年,Zhu等[44]通过在混合溶液中增加甲胺碘(MAI)浓缩液,将(MA,FA)Pb(Br,I)3纳米线的荧光光谱连续红移;2016年,Fu等[45]将FAPbBr3中的FA换成MA,光谱将红移10 nm,并通过调节(MA,FA)Pb(Br,I)3A位阳离子和卤素离子的比例,实现发射波长从490 nm到824 nm的调谐[图2(e)]。对于B位元素的调谐,采用Sn元素取代,可以实现近红外波段的辐射[46]。另外,发展非铅基的钙钛矿材料,不仅可以实现光谱展宽,还可以推进无毒性钙钛矿技术的应用,提高钙钛矿激光的性能。

图 2. 钙钛矿纳米材料的波长可调谐。(a)改变MAPb(I1-xBrx)3中碘和溴的比例,可以实现786 nm到544 nm的调谐。上图是吸收光谱,下图是纳米复合物的图像[40];(b) MAPbX3(X=Cl、Br、I)改变卤化物的比例,可以实现390到790 nm可见红外的发射波长调谐[26];(c)(d)改变卤素原子,对无机钙钛矿CsPbX3的波长调谐[41-42];(e)对A位原子的调谐。改变FA和MA

Fig. 2. Wavelength tunability of perovskite nanomaterials. (a) By changing the ratio of iodine to bromine in MAPb(I1-xBrx)3, tuning of 786 to 544 nm can be achieved. Above is the absorption spectrum, below is an image of the nanocomposite[40]; (b) MAPbX3(X=Cl, Br, I) can be tuned to the emission wavelength from 390 to 790 nm in visible infrared by changing the ratio of hal

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2.4 非线性光学特性

随着研究的不断深入,钙钛矿材料的非线性光学特性同样引人关注。与线性吸收和发射相比,半导体材料的非线性具有穿透深度深、空间分辨率高、对目标样品损伤小等特性。由于作用在材料上光强的不同,所以产生的非线性效应不一样。非线性吸收可以分为饱和吸收和反饱和吸收,反饱和吸收进一步可以分为双光子吸收(TPA)、三光子吸收等。双光子吸收是一个三阶非线性过程,电子在从基态跃迁到激发态的过程中伴随着两个光子的吸收,在高光子通量时变得很重要。

2015年,Walters等[47]使用800 nm飞秒激光激发MAPbBr3单晶,发现了双光子吸收特性。实验测得发光中心波长为572 nm,实验中使用z扫描技术测得非线性吸收系数为8.6 cm/GW。2016年,Gu等[48]在MAPbBr3 纳米线中也观测到双光子吸收现象,当激发波长为400 nm时,激光阈值为3.14 μJ/cm2,发射峰的半峰全宽为0.8 nm;当激发波长为800 nm时,出现双光子吸收现象,激光阈值增大为674 μJ/cm2,其值约为单光子激发阈值的 200 倍,且无需传统固态激光实现频率上转换对相位匹配的要求。随后,Kalanoor等[49]在MAPbI3薄膜中发现非线性光学特性,同年,Zhang等[50]在MAPbBr3纳米片和纳米线中观察到双光子吸收效应。2017年Gao等[51]使用1240 nm、100 fs、1 kHz 强激光泵浦,在MAPbBr3微观结构中观察到明显的光学极限现象,发射波长为540 nm。随着泵浦功率密度的增加,实现了三光子吸收,并测得三光子吸收系数为2.26×10-5 cm3/GW2。2019年,Liu等[52]在FAPbBr3纳米晶中实现双光子泵浦的自发辐射放大,并且测得非线性吸收系数为0.76 cm/GW。2016年,Wang等[53]首次报道全无机钙钛矿CsPbBr3纳米晶中的双光子吸收特性,测得的双光子吸收截面高达1.2×105 GM,在CsPbBr3纳米晶体薄膜上观察到双光子泵浦的低阈值频率上转换的受激发射,并通过三光子泵浦(激发波长为1250 nm),实现绿光ASE激射。同年,Xu等[54]测得 甲苯溶液中的钙钛矿CsPbBr3纳米晶双光子吸收截面为2.7×106 GM,并将钙钛矿CsPbBr3纳米晶嵌入微管中,实现双光子泵浦的低阈值WGM激光。2017年,Wang等[55]合成截面为三角形的全无机CsPbBr3纳米棒,通过多光子泵浦实现激光发射,并进一步证明电子空穴等离子体是产生多光子抽运激光的主要原因。

在过去的几年里,随着钙钛矿材料的非线性光学特性研究不断深入,研究人员发现钙钛矿材料不仅具有双光子吸收、双光子泵浦光致发光、双光子泵浦放大自发辐射,还具有三光子吸收和光致发光作用;优良的非线性光学特性使得钙钛矿材料在双光子上转换激光、三维光信息存储、高分辨成像、光开关等领域有着广泛的应用前景。

3 钙钛矿微纳激光

3.1 WGM钙钛矿微纳激光器

回音壁模式的激光即WGM激光,是纳米介质的内壁和外环境中的折射率差引起的全反射造成的,并且光在传输过程中在介质内部形成光路闭环,光束被很好地限制在介质内部。钙钛矿自被应用到激光领域以来,其不同形貌的纳米结构WGM激光性能已被广泛报道[56-58]

2014年,Zhang等[59]首次实现室温下的近红外高性能的WGM钙钛矿纳米片激光器。通过两步化学气相沉积的方法在云母基底上获得了六边形和三角形的MAPbI3-aXa钙钛矿纳米片,如图3(a)所示。利用波长为400 nm、脉宽为150 fs、重复频率为1 kHz的激光泵浦,在厚度为150 nm、边长为32 μm三角形MAPbI3纳米片中实现多模WGM激射,阈值能量密度为37 μJ/cm2,发射波长约为780 nm,半峰全宽为1.2 nm,品质因子为650;同样尺寸的MAPbI3-aXa纳米片的激光阈值为128 μJ/cm2,半峰全宽为0.9 nm,品质因子约为900。随后,2015年Liao等[60]利用一步溶液自组装的方法,首次合成单晶MAPbBr3钙钛矿微盘,微盘形状为方形,如图3(b)所示,有利于形成高质量的WGM腔。在400 nm,150 fs、1 kHz的泵浦光激发下,出现了中心波长为557.5 nm的单模WMG激光,激发阈值仅为3.6 μJ/cm2,半峰全宽为1.1 nm,品质因子约为430。2019年,Li等[61]使用两步气相沉积的方法在云母基底上合成了厚度为80 nm、边长为27 μm的三角形MAPbI3钙钛矿纳米片,并在室温下实现品质因子达到2600的高品质WGM激光输出,如图3(c)、(d)所示。2019年,Li等[62]通过温度控制的一步合成法,合成有机无机杂化钙钛矿MAPbBr3,在钙钛矿形成的近似环形腔中实现WGM激光,如图3(e)所示。

除了有机-无机杂化钙钛矿纳米片外,全无机钙钛矿纳米片的WGM激光也得到广泛的研究,在具备同样甚至更高的激光性能的同时,在稳定性方面有更大的优势。2016年,Zhang等[43]在使用气相沉积范德瓦尔斯外延的方法合成的单晶CsPbBr3上实现WGM激光,如图3(f)~(h)所示。在400 nm、50 fs、1 kHz的飞秒光激发下,在535.8 nm实现高品质激光输出,激发阈值为2.2 μJ/cm2,激光模式线宽为0.14~0.15 nm,远高于之前可见波段的单晶半导体微腔激光器。2018年,Guo等[63]也实现了全无机钙钛矿CsPbX3(X=Cl、Br、I)的WGM激光的输出,并提出通过堆叠生长在蓝宝石衬底上的不同的卤素离子的无机钙钛矿,实现白光发射的方案。

随着微纳激光器的发展,为了实现更高品质的激光输出,出现了各种方案各种样式的WGM激光器。2017年,Wang等[64]利用交叉的单晶MAPbBr3微米棒的横切面形成WGM腔,实现低阈值(2.37 μJ/cm2)、窄线宽(~0.1 nm)、高品质(Q>5500)的激光发射,如图4(a)所示。2017年,Tang等[65]利用双源化学气相沉积的方法,将全无机CsPbX3钙钛矿做成可调谐尺寸(0.2~10 μm)的亚微米球,如图4(b)所示,并在400 nm、50 fs、10 kHz光的激发下,实现阈值为0.42 μJ/cm2、半峰全宽为0.09 nm、品质因子高达6100的单模激光发射,并通过元素和尺寸的调谐,可以实现可见光谱全波段的激光发射;2019年,Du等[66]也在无机钙钛矿CsPbBr3微球谐振腔中实现高品质单模WGM激光。2014年Sutherland等[34]和2015年Yakunim等[35]利用硅球作为WGM反射腔,分别通过在硅球上覆盖MAPbI3薄膜和钙钛矿CsPbBr3纳米晶,获得高性能WGM激光,如图4(c)所示。2019年,Yang等[67]在可调控尺寸的单晶CsPbBr3微米线阵列中实现了高性能的WGM激光,如图4(d)所示,其品质因子大于1500,阈值小于3 μJ/cm2,稳定性好,且可以通过改变压电特性实现对激光模式位置的改变;Zhizhchenko等[68]提出激光打印的MAPbBrxIy微盘的方案[图4(e)],通过激光半径改变微盘的半径(2~9 μm),实现WGM模式宽光谱输出(550~800 nm),品质因子高达5500;Huang等[69]在MAPbI3纳米片和二氧化硅衬底之间引入尺寸易于调控的氮化硅晶圆片[图4(f)],实现模式数量、间隔等可调谐的WGM模式激光的输出。同年,Zhou等[70]在钙钛矿CsPbBr3微立方腔中实现高温(440 K)下高品质(品质因子高达104)的WGM激光发射[图4(g)],并且有着很高的稳定性。

图 3. 有机无机杂化钙钛矿WGM 激光。(a)六边形和三角形钙钛矿MAPbI3-aXa纳米片的近红外WGM模式激光[59];(b)四边形钙钛矿MAPbBr3纳米片随着泵浦强度的增大,WGM激光模式的出现以及在阈值上下的纳米片光学激发图像[60];(c)三角形钙钛矿纳米片MAPbI3形成的WGM腔[61];(d)随着泵浦能量增加,三角形钙钛矿纳米片MAPbI3中出现WGM激光[61];(e)近似环形腔的WGM激光发射[59]; (b) quadrilateral perovskite MAPbBr3 nanoplatelet with the increase of pump strength, the appearance of WGM laser and the optical excitation image of nanoplatelet above and below the threshold[60]; (c) WGM

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2018年,Hu等[71]在实验中证明,将CsPbBr3钙钛矿量子点嵌入硅球中比纯无机钙钛矿量子点的发光性能和稳定性要更好,如图5(a)所示,将其作为增益介质,实现了频率上转换激光输出[72]。除了上述的球形谐振腔,微管结构也可以作为高性能激光器的谐振腔[32,73]。Liu等之后将CsPbBr3-SiO2微米球放进直径40 μm的圆柱形微管,利用微管和钙钛矿介质的折射率差形成的谐振腔,实现高性能WGM激光的输出[图5(b)],在800 nm、35 fs激光泵浦下,其阈值为430 μJ/cm2,半峰全宽为0.35 nm,品质因子高达1532,并在激发阈值之上连续激发超过140 min,激光性能保持稳定。随后2019年,Tang等[74]使用CdS作为壳材料对单个CsPbBr3钙钛矿量子点进行封装[图5(c)],实验证明通过核壳结构单颗粒包覆使得钙钛矿量子点有着超高的化学稳定性以及高的荧光量子产率,同时减少非辐射复合,有效改善量子点的闪烁发光问题。如图5(d)所示,将该结构放进圆柱形微管形成的谐振腔中,通过双光子泵浦(800 nm,35 fs,1 kHz)在大于泵浦阈值(980 μJ/cm2)时,实现高性能WGM模式激光输出(半峰全宽为0.44 nm,品质因子为1217)。除了高维钙钛矿材料的激光激射,Yang等[75]在2019年通过常温反相微乳液合成了零维钙钛矿Cs4PbBr6亚微米盘。相比于传统的高维钙钛矿材料,零维电子结构具有较大的激子结合能、独特的光电性能以及更好的稳定性。研究证明了Cs4PbBr6内部极化子的存在,揭示了绿色激发光是零维钙钛矿Cs4PbBr6的本征发光而不是嵌入的CsPbBr3杂质发光;并分别在单光子(400 nm,35 fs,1 kHz)和双光子激发(800 nm,35 fs,1 kHz)下,均实现低阈值(76.5 μJ/cm2和389.7 μJ/cm2)和高品质因子(Q为1551和1596)的单模WGM激光发射[图5(e)]。

图 4. 不同方案实现的WGM激光。(a)利用两个交叉的钙钛矿MAPbBr3纳米棒的横切面形成的WGM微腔[64];(b)可调谐尺寸的无机钙钛矿CsPbX3纳米球WGM微腔[65];(c)通过硅球作为谐振腔,实现WGM模式激光[35];(d)在可尺寸调谐的无机钙钛矿CsPbBr3微米线阵列中实现WGM激光[67]; (e)激光打印实现的钙钛矿MAPbBrxIy微盘,以及宽谱调谐的WGM激光的发射[

Fig. 4. Different schemes of WGM mode laser. (a) WGM microcavity was formed by cross section of two crossed perovskite MAPbBr3 nanorods[64]; (b) tunable size of the perovskite CsPbX3 nano inorganic spheres WGM microcavity[65]; (c) WGM laser is realized by using silicon sphere as resonator[35]; (d) WGM mode laser is implemented

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图 5. 不同方案实现的WGM模式激光。(a)将无机钙钛矿CsPbBr3量子点嵌入二氧化硅球以及发光原理[72]; (b)将CsPbBr3-SiO2微米球放进直径40 μm的圆柱形微管中的发光图像以及WGM模式激光的原理[72];(c)CdS/CsPbBr3壳核结构[74]; (d) CsPbBr3/CdS核/壳结构放入圆柱形微管中产生WGM激光以及内嵌图为发光原理的图片[74]; (e)无机钙钛矿Cs4PbBr6微盘,随着激发光强增大,出现WGM激光

Fig. 5. Different schemes of WGM mode laser. (a) Schemes of inorganic perovskite CsPbBr3 quantum dots embedded silica sphere[72]; (b) CsPbBr3-SiO2 micro sphere into a diameter of 40 μm cylindrical tubes of luminous images, and the principle of laser WGM mode[72]; (c) CdS/CsPbBr3 shell/core structure[74]; (d) CsPb

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3.2 F-P模式钙钛矿微纳激光器

由于半导体纳米线具有紧凑的物理尺寸、高局域性的相干光输出和光传导效率高等优点,在纳米尺寸的光电子器件领域非常有应用前景。钙钛矿材料的吸收系数大、载流子扩散长度长等优点应用于纳米线激光器,此外还有着低阈值、高品质等优点,为半导体纳米线激光器带来可观的发展前景。在纳米线的轴向方向,由于钙钛矿增益介质和空气折射率的差造成的全反射的作用将光波限制在纳米线波导内传播,光波在两个端面的反射形成F-P模式激光,如图6(a)所示[76-77]

2015年,Zhu等[44]首次实现钙钛矿纳米线激光。通过采用一步湿化学方法制造出高质量的MAPbX3钙钛矿纳米线F-P激光腔,在402 nm、150 fs、250 kHz的激光泵浦下,实现超低阈值(220 nJ/cm2),高品质因子(Q=3600)的F-P激光发射,如图6(b)上图所示,当激励通量低于阈值时,整个纳米线呈现均匀的红色;当激发通量超过阈值时,纳米线两端各出现两个亮点,说明激光的出现。通过调谐卤素离子,可以实现可见光到近红外波段的宽光谱调谐,经实验和计算分析,纳米线激光器的优异性能源于长的载流子寿命和低的非辐射复合速率。随后,Xing等[78]通过两步气相合成法合成MAPbX3钙钛矿纳米线(长度约10 μm),在飞秒激光(400 nm,50 fs,1 kHz)激发下,激发强度超过11 μJ/cm2时,MAPbI3纳米线在777 nm处出现F-P模式激光,半峰全宽为1.9 nm,品质因子为405;激发强度超过20 μJ/cm2时MAPbBr3纳米线在551.3 nm处的激光半峰全宽为2.0 nm,品质因子为225;激发强度超过60 μJ/cm2时MAPbIxCl3-x纳米线在744.4 nm处产生激光,半峰全宽为1.6 nm,品质因子为372,如图 6(c)和(d)所示。Fu等[45]在2016年也实现了高性能的FAPbI3钙钛矿单晶纳米线激光器。

图 6. 钙钛矿纳米线激光。 (a)纳米线结构发光原理图[76-77]; (b) MAPbX3钙钛矿纳米线随着泵浦光强的增加的光学图像[44]; (c)钙钛矿MAPbIxCl3-x纳米线随着泵浦强度的增加,F-P模式激光的强度分布[78]; (d)钙钛矿MAPbBr3、MAPbIxCl3-x和MAPbI3的F-P模式激光图以及激发阈值[

Fig. 6. Perovskite nanowire laser. (a) Scheme of nanowire structure lasers[76-77]; (b) optical image of MAPbX3 perovskite nanowires with increased pump light intensity[44]; (c) with the increase of pumping intensity, intensity distribution of F-P mode perovskite MAPbIxCl3-x nanowires laser[

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虽然有机无机杂化钙钛矿纳米线激光器展示了很优秀的激光性能,但是稳定性仍然是一个问题。2016年,Eaton等[79]首次实现高稳定性和低阈值的全无机CsPbX3钙钛矿纳米线激光(长度为2~40 μm,宽度为0.2~2.3 μm),图7(a)~(c)所示。在飞秒激光的激发下,CsPbBr3纳米线实现模式间隔和长度相关的多模激光发射,激发阈值为5 μJ/cm2,最大品质因子为1009;在固定的脉冲能量激发下,纳米线激光在氮气氛围中可以维持超过 1 h(相当于109个激发循环),处于大气环境中可以维持约20 min,相比于有机无机杂化钙钛矿纳米线有很大的提升。同年,Fu等[42]和Park等[80]分别实现全无机钙钛矿(CsPbX3)纳米线低阈值高稳定性的F-P模式激光发射。2019年,Pushkarev等[81]合成高质量的分离良好的全无机钙钛矿CsPbBr3纳米线,并在不同尺寸(4.3~22.5 μm)的纳米线中实现高品质(Q=1017~6166)激光发射;2018年Li等[82]和2019年Liu等[83]分别在无机钙钛矿CsPbBr3纳米线中实现激光发射。此外,2017年Liu等[84]研制出大尺寸的钙钛矿MAPbX3纳米线阵列,并实现纳米线阵列的间隔和尺寸的精确控制,如图7(d)所示;在400 nm、150 fs光的激发下,泵浦密度为 12.3 μJ/cm2时,出现F-P激光。2018年,Wang等[85]在全无机钙钛矿CsPbX3纳米线阵列中实现低阈值高品质的F-P激光[图7(e)(f)],并发现脉冲光的激发下纳米线中激子-极化子的形成,表明光学腔内强的激子声子耦合作用。

2017年,Hu等[86]首次在低温溶液法制备的全无机钙钛矿CsPbBr3微立方块中实现单光子和双光子泵浦的性能稳定的ASE。并在飞秒激光的激发下,实现多模激射,半峰全宽为0.46 nm,品质因子为1150,如图8(a)所示。经进一步改良,Liu等[87]得到了高品质钙钛矿CsPbBr3纳米块激光,如图8(b)所示,三维尺寸皆小于发射波长,物理体积为0.49λ3。在对单个的纳米立方块进行双光子激发,实现了高性能的F-P模式的单模激光,激发阈值为374 μJ/cm2,品质因子为1859,如图8(c)(d)所示;单光子激发下的激发阈值为40.2 μJ/cm2,品质因子高达2075。全无机钙钛矿亚波长量级激光腔具有稳定性高、尺寸小以及带隙温度不敏感等特性,可以为光电子器件的片上集成提供有效的方案。2018年,Mi等[88]采用化学气相沉积的方法在云母基底上合成立方金字塔形状的杂化钙钛矿MAPbBr3,并实现F-P模式的激光发射,如图8(e)所示。2019年,Li等[62]利用有机无机钙钛矿MAPbBr3形成的准立方腔,分别在水平和垂直方向观察到F-P激光振荡模式;同年Yang等[89]使用化学气相沉积法合成微米尺寸的立方金字塔形状的单晶全无机钙钛矿CsPbI3,并在148 K~223 K的低温下实现激光发射,如图8(f)所示。

图 7. 无机钙钛矿CsPbX3纳米线。 (a)不同泵浦强度下的纳米线发光图像[79]; (b)随着激发强度的升高,钙钛矿CsPbBr3纳米线出现F-P模式激光[79]; (c)在固定的脉冲能量激发下,纳米线激光可以维持超过1 h(相当于109个激发循环)[79];(d)钙钛矿MAPbX3纳米线阵列[84];(e)全无机钙钛矿CsPbX3纳米线阵列[85]

Fig. 7. All inorganic perovskite CsPbX3 nanowires. (a) Nanowire lasing image with different pump density[79]; (b) with the increase of excitation intensity, F-P mode laser appears on perovskite CsPbBr3 nanowires[79]; (c) nanowire laser can last for more than an hour (equivalent to 109 excitation cycles) with a fixed pulsed energy[

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图 8. 不同方案的F-P模式激光。(a)全无机钙钛矿CsPbBr3微米立方块中实现F-P模式激光[86];(b)使用改良的低温溶液处理方法合成高品质钙钛矿CsPbBr3纳米立方块SEM图像[87];(c)F-P腔的晶体结构和驻波示意图[87];(d)无机钙钛矿CsPbBr3纳米立方块随着激发强度的增加实现单模激光[87];(e)立方金字塔形状的杂化钙钛矿MAPbBr3实现F-P模式的激光发射[88];(f) 立方金字

Fig. 8. Different schemes of F-P mode lasers. (a) F-P mode laser in all inorganic perovskite CsPbBr3 micron cube[86]; (b) SEM image of high-quality perovskite CsPbBr3 nano cubes using an improved low-temperature solution treatment method[87]; (c) schematic of the crystal structure and standing wave of the F-P cavity[87]; (d) inorganic

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除了利用钙钛矿本身与周围环境的折射率差形成的谐振腔,外加辅助腔的F-P模式激光器也被广泛研究。2014年,Deschler等[90]首次实现垂直发射的F-P模式激光。将500 nm厚的杂化钙钛矿MAPbI3-xClx增益层放到介质镜和顶层蒸镀的金镜之间,在波长为532 nm,脉宽为0.4 ns的脉冲激发下,阈值只有0.2 μJ/pulse,如图9(a)所示。2017年,Wang等[91]首次实现全无机钙钛矿垂直腔面发射激光器(VCSEL)。实验中,高反射的介质镜——分布式布拉格反射镜(DBR)是由25对SiO2/TiO2四分之一波层组成,单晶的全无机钙钛矿CsPbBr3增益层置于两个DBR层之间。在飞秒激光(400 nm,100 fs,1 kHz)的激发下,激光阈值低至9 μJ/cm2,光束发散角为3.6°,而且可以实现红绿蓝三色稳定的激光发射。2018年,Chen等[92]实现混合阳离子钙钛矿Cs0.17FA0.83PbBr3为增益介质的VCSEL,输出激光品质因子为1350,激发阈值为13.5 μJ/cm2。在2019年,Pourdavoud等[93]实现无机钙钛矿CsPbBr3薄膜为增益层的垂直腔面发射激光器,阈值仅为2.2 μJ/cm2,发射光谱半峰全宽窄至0.07 nm,如图9(b)、(c)所示。2016年,Saliba等[94]首次在钙钛矿激光器中引入布拉格光栅作为反射器件,如图9(d)、(e)、(f)所示。他们将120 nm厚的有机无机钙钛矿MAPbI3蒸镀到两个周期不同的光栅上,在532 nm、1 ns、1 kHz激光的泵浦下,实现低阈值(0.32~2.11 μJ/cm2)的分布式反馈(DFB)单模激光,为全电泵浦钙钛矿激光器的发展提供了很好的思路,开阔了钙钛矿激光的商业应用前景。2019年,Pourdavoud等[93]利用再结晶的全无机钙钛矿CsPbBr3薄膜形成的DFB结构,实现低阈值(7.2 μJ/cm2)、窄线宽(0.14 nm)的激光发射。

图 9. 外加辅助腔实现F-P模式激光。(a)钙钛矿MAPbI3-xClx垂直腔F-P模式激光光谱[90]; (b) 全无机钙钛矿CsPbBr3垂直发射激光器的结构[93];(c)F-P模式激光光谱图[93];(d)钙钛矿激光器的DFB光栅的结构[94];(e)F-P模式激光[94];(f)全无机钙钛矿DFB激光器结构[

Fig. 9. F-P mode laser with auxiliary cavity. (a) Perovskite MAPbI3-xClx vertical cavity F-P mode laser spectrum[90]; (b) structure of all-inorganic perovskite CsPbBr3 VCSEL[93]; (c) FP mode laser spectrogram[93]; (d) perovskite laser with DFB structure[94

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3.3 随机模式钙钛矿激光

与传统的激光器不同,随机激光不需要反射镜构成的光学谐振腔。随机激光的产生主要是依赖高度无序的增益介质将光束限制在介质内部,受激发后,介质内部的粒子间多重散射将光路折叠,同时光束通过介质实现光学放大,形成激光[图10(a)][95-96]。2014年,Dhanker等[97]首次报道钙钛矿随机模式激光[图10(b)和(c)]。他们将MAPbI3钙钛矿做成平面的微晶网络,在355 nm、0.8 ns、1 kHz光的激发下,当激发强度高于195 μJ/cm2/pulse时,出现随机激光,线宽小于0.5 nm;当增大激发强度时,多种模式的随机激光的峰值位置也在随机的变化。基于多晶晶界提供的多次随机散射或者相变时的相分离可能形成的激光腔,2014年Kao等观察到半峰全宽为4 nm的随机激光。2016年,Liu等[98]在自组装的钙钛矿纳米粒子中实现随机激光。通过改变激发位置,证实随机激光的发射源于钙钛矿微盘中纳米粒子的多重散射。2018年,Xu等[99]合成有机无机杂化钙钛矿FAPbBr3和聚氧化乙烯(PEO)的复合物,在双光子激发下(1064 nm,15 ns,1 kHz),实现高品质(半峰全宽为0.4 nm,Q=1280)的随机激光,并在连续激发下,可以稳定107个激发循环。同年,Safdar等[100]合成高品质均匀的钙钛矿(MAPbI3)薄膜,并观察到低阈值(10 μJ/cm2)的随机激光。

胶体量子点有着尺寸可控、高荧光效率等优点[101],2015年,Yakunin等[35]首次在尺寸为10 nm的单分散的全无机钙钛矿CsPbX3胶体量子点薄膜中实现随机激光[图10(d)和(e)]。通过激发(400 nm,100 fs)涂在玻璃基底上的量子点薄膜,可以观察到明显的ASE, 其阈值为5 μJ/cm2。使用可变条纹长度的方法,测得净增益为450~500 cm-1;同时还实现窄线宽(0.14 nm)随机激光,通过激发强度的增加,平均有256个激光的发射,并且观察到激光模式在随机的跳动。2017年,Li等[102]将一步法合成的CsPbBr3量子点用胺基介质钉扎在硅球表面[图10(f)],实现低阈值(40 μJ/cm2)的随机激光。将无机钙钛矿用胺基钉扎在硅球表面,可以将钙钛矿与外部环境隔离,抑制光诱导和退化,使得钙钛矿的稳定性提升;经过40天的常温环境下存储,基本没有荧光退化,在紫外灯的照射下,荧光强度可以持续108 h,经过2个月的存储,依然可以实现稳定的随机激光,且可以连续泵浦超过8 h。2018年,Yuan等[103]将钙钛矿量子点CsPbBr3嵌入氧化碲玻璃中,钙钛矿量子点在环境中的稳定性得到了提高;在800 nm飞秒激光的激发下,实现上转换激光发射。2019年,Wang等[104]使用有效的溶剂工程的方法,在柔性的聚酰亚胺衬底上镀高品质的钙钛矿MAPbBr3薄膜[图10(g)]。室温下利用355 nm光激发时,钙钛矿薄膜在激发强度为2.5 mJ/cm2时实现随机激光发射,而且激光还可以在弯曲的钙钛矿薄膜中观察到,随着曲率的增加,激发阈值减小;弯曲的钙钛矿激光器在反复变形后性能依然强劲;由于空间相干性低,柔性钙钛矿激光器作为一种具有耐用性和柔韧性的无斑点光源,为激光投影等领域提供可能的应用前景。同年,Tang等[105]将无机钙钛矿CsPbBr3量子点均匀地放置在TiO2纳米管内实现高品质的随机激光 (激发阈值为9.54 mJ/cm2,半峰全宽为0.49 nm,品质因子为1084)。将无序性的纳米管中随机分布的钙钛矿量子点作为增益介质,同时也是多粒子的散射单元,透射光经过多次的随机散射后,可以形成闭合的光路,从而产生随机激光,如图10(h)所示。

图 10. 随机激光。(a)利用无序介质的多重散射实现随机激光[96]。 (b)荧光图像显示出泵浦强度下,钙钛矿MAPbI3做成平面的微晶网络实现随机激光的空间分布[97];(c)低于泵浦阈值、泵浦阈值相近、高于泵浦阈值的发射光谱图[97];(d)单晶钙钛矿CsPbBr3薄膜的TEM图像[35];(e) 单晶CsPb(Br/Cl)3薄膜中的随机激光光谱图[35];(f) 一步法合成的CsPbBr3量子点用胺基介质钉扎在硅

Fig. 10. Random lasers. (a) Random lasers using multiple scattering from a disordered medium[96]; (b) fluorescent images showing the pumping intensity, spatial distribution of perovskite MAPbI3 random lasers[97]; (c) emission spectrum diagrams below the pump threshold, close to the pump threshold, and above the pump threshold[97]; (d) TEM image o

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4 结束语

金属卤化物钙钛矿作为一种新兴的半导体光电材料,具有高的吸收系数、低的缺陷态密度、高的荧光量子产率、可调谐发光带隙等优异的光电性能,作为增益介质,为高品质、低阈值的高性能微纳激光的发展提供了可观的前景。

然而钙钛矿材料的稳定性严重限制着其在发光领域的发展。钙钛矿材料对周围环境(水分、氧和热)比较敏感,很容易离解;采用新的化学合成方法,通过调控形貌和发展新结构的钙钛矿材料有望提升钙钛矿激光的稳定性。其次,钙钛矿中铅元素的毒性使得钙钛矿材料的应用受阻,发展新型的无铅或少铅的钙钛矿材料,如 Sn、Bi、Cu基钙钛矿等,对钙钛矿微纳激光器的实际应用具有重要意义;另外,发展电泵浦的钙钛矿激光器也是一个极大的挑战。最后,卤化物钙钛矿作为增益介质,其材料的光物理特性,如载流子动力学,是依然困惑的问题。在钙钛矿大家族中,激子和载流子行为在改变有机和无机单元上表现出较大的差异。特别是混合钙钛矿系统不能简单地用无机半导体或有机半导体的理论来理解,因此深入了解杂化钙钛矿的基本光激发机制是非常必要的。

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