中国科学院上海光学精密机械研究所激光与红外材料实验室张龙研究员领衔的微结构与光物理研究团队在蓝光单模微纳激光研究方向取得重要进展。该团队发现一种新型全无机钙钛矿RbPbBr₃材料，成功实现高性能蓝光单模激光输出。

钙钛矿材料具备优异的光学特性，如高吸收系数，高荧光量子产率，高光学增益等，尤其全无机钙钛矿更是表现出优异的激子特性及光稳定性。不过，由于钙钛矿结构需要满足容限因子t>0.8，目前已报到的全无机钙钛矿类型受到极大限制。Rb作为Cs的同主族元素，是一个良好的选择。此外，理论计算表明钙钛矿相RbPbBr₃的发光在蓝光波段，因此对于RbPbBr₃的研究也将为成功高品质蓝光发光器件带来更多可能性。不过，钙钛矿相RbPbBr₃差的相稳定性为研究带来诸多困难。

图1. (a, c, e) 钙钛矿相RbPbBr3的晶体结构、XRD衍射图谱及能带结构；(b, d, f) 非钙钛矿相RbPbBr3的晶体结构、XRD衍射图谱及能带结构。

结合大量实验结果和理论分析，解析了新型全无机钙钛矿RbPbBr₃的2种相结构及其对应的XRD衍射图谱和能带结构。如图1所示，理论研究表明非钙钛矿相表现为间接带隙结构，光电性质较差；钙钛矿相RbPbBr₃具有直接带隙结构，其发光波长位于460 nm附近，在蓝光发光领域具有巨大的应用前景。钙钛矿发光领域著名专家E. H. Sargent小组相继报道钙钛矿相RbPbBr₃材料的蓝光LED应用（Adv. Optical Mater. 2019, 1901440)。

图2. (a) 钙钛矿相和非钙钛矿相RbPbBr₃之间的相转变；(b) 钙钛矿相RbPbBr₃中Br-缺陷的产生；(c) 钙钛矿相RbPbBr3中非钙钛矿相的扭转成核；(d, e) 真空及H2O分子条件下Br-缺陷的产生；(f, g) 钙钛矿和非钙钛矿相RbPbBr₃的分子轨道图。

系统研究RbPbBr3钙钛矿-非钙钛矿相转变发生的条件以进一步解释其内涵的化学机制。如图2所示，研究发现室温下非钙钛矿相RbPbBr₃更稳定，结合热处理工艺非钙钛矿相可转变为钙钛矿相，而在H2O分子作用下钙钛矿相RbPbBr₃又转变为非钙钛矿相。通过对RbPbBr₃相结构的系统分析，充分解析钙钛矿-非钙钛矿之间相转变的化学机制以及水分子的作用。相变过程主要包含三步：Br-缺陷的产生；Br-缺陷存在下，非钙钛矿扭转成核；非钙钛矿成核后的继续生长。H₃O分子存在时，Br-缺陷形成能得到有效降低，因此湿润条件下更易相变。晶体结构变化引起导带底和价带顶之间的偏移，进而引起不同相之间带隙和光学性质的巨大差异。

图3. (a) 单个微球激光性质测试示意图；(b, c) 不同功率光泵浦下微球的光发射强度；(d) 单个微球光发射强度对功率的依赖曲线；(e) 单个激光发射谱的洛伦兹拟合；(f) 不同尺寸微球的单模激光发射谱；(g) 不同元素构成钙钛矿微球的单模激光发射谱。

受益于规则的几何结构，光滑的表面，全无机RbPbBr₃钙钛矿微球具备高的光场限制能力。此外，RbPbBr₃在λ~465 nm具备高光学增益特性。因此，高功率光泵浦状态下，高品质微球腔可同时用作增益介质和光学谐振腔实现高性能微纳激光输出。如图3所示，在高功率400 nm飞秒激光作用下，在单个微球内可实现高品质蓝光单模激光输出，其激光品质因子Q高达~2100。控制微球元素构成和尺寸，可实现高品质单模激光的宽调谐输出。与其他材料相比，RbPbBr₃微球内的单模激光表现出低阈值、窄带宽和高品质特性。

基于大量实验及理论分析，充分解析RbPbBr3的不同相结构、XRD衍射图谱及对应的能带结构。通过对相结构及转变能垒的系统分析，对钙钛矿之间相转变的化学机制进行系统分析，为深度解析钙钛矿材料晶体结构与光电性能的联系及相稳定研究提供坚实理论及实验基础。更重要的是，基于钙钛矿相RbPbBr3微球规则的几何结构及优异光学性能，成功实现高性能蓝光单模激光输出，对高性能微纳激光器件、多色激光器及激光显示等的研究具备重要意义。

相关研究成果以“An All‐Inorganic Perovskite‐Phase Rubidium Lead Bromide Nanolaser”为题发表于德国应用化学Angewandte Chemie International Edition [58, 16134(2019)]上。中国科学院上海光学精密机械研究所为第一完成和通讯单位，研究得到国家自然科学基金委、科技部、上海市科委等的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.201910617