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钙钛矿微腔光子-激子强耦合及激光器件研究取得进展

智慧光 2018-05-24 10:22:56

[导读] 金属卤化物钙钛矿材料兼具无机及有机半导体的优点,如制备成本低廉、光吸收效率高、缺陷浓度低、载流子传输距离长,还有简易调谐的禁带宽度和优异的增益特性,在低阈值固态微腔激光器领域有重要的应用前景。

微腔激光器是光子芯片的核心器件之一,设计连续光乃至电驱动微腔激光器也就成了光电信息领域的重大挑战。基于光子-激子强耦合效应,实现激子-极化激元的波色爱因斯坦凝聚,为发展低阈值微腔激光器提供了一种解决方案。当前,由于无机半导体材料的激子结合能较低,其激子极化激元仅在宽禁带半导体或者造价昂贵的量子阱中结构中实现。尽管有机半导体材料具有较大的激子结合能,其弱非线性系数及较差的晶格质量极大地阻碍了极化激元的凝聚。

金属卤化物钙钛矿材料兼具无机及有机半导体的优点,如制备成本低廉、光吸收效率高、缺陷浓度低、载流子传输距离长,还有简易调谐的禁带宽度和优异的增益特性,在低阈值固态微腔激光器领域有重要的应用前景。近期,北京大学工学院张青研究员课题组在可见发光的钙钛矿纳米线微腔的光-物质强相互作用领域取得新进展,为基于激子极化激元的玻色-爱因斯坦凝聚效应实现低阈值微腔激光器提供了思路。相关工作在线发表在Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04847)、ACS PhotoNIcs (DOI: 10.1021/acsphotonics.7b01593)、Adv. Opt. Mater.(2018, 6, 1701032)等期刊杂志上。

钙钛矿微腔光子-激子强耦合及激光器件研究取得进展

a. 角分辨荧光光谱系统 b. CsPbBr3纳米线的荧光色散曲线(插图),以及激光阈值-拉比劈裂曲线 c. MAPbBr3纳米线在glass和SiO2/Ag衬底上拉比劈裂能随着有效模式体积的变化关系

通过空间角分辨荧光光谱,张青课题组在有机-无机混合钙钛矿MAPbBr3纳米线微腔中首次观测到该材料体系的激子-极化子激元效应,光子-激子耦合强度随着纳米线的尺寸减小而增加,室温的拉比劈裂能高达390meV,这项工作发表在Adv. Opt. Mater.杂志,并被Wiley Materials&Views作为亮点工作报道,入选该期刊2018年2月及3月高下载论文。振子浓度和模式体积是影响微腔光子-激子强耦合作用的关键因素。课题组通过引入表面等离激元纳腔,设计MAPbBr3纳米线-SiO2-Ag混合微腔结构,有效提高了局域振子数目,使拉比劈裂能增强至564meV,群折射率提高至17。这项工作发表在Nano Letters,北京大学2017级直博生尚秋宇为第一作者。进一步,在结构稳定、高质量纯无机CsPbBr3纳米线中,他们通过提高光子-激子耦合强度降低激光阈值,在耦合强度高于450meV时,观测到室温激子-极化子激光,激光器的阈值约降低至原值的1/7,此项工作发表在ACS Photonics。以上研究结果对于低阈值微型激光器、量子通信、非线性光学等领域研究有重要意义。

该系列工作与国家纳米科学中心刘新风教授、北京大学物理学院肖云峰教授、工学院张艳锋教授以及南洋理工大学熊启华教授、阿卜杜拉国王大学吴韬教授的课题组合作完成。研究得到国家重点研发计划、青年千人计划、北京大学“双一流”计划及清华大学低维与量子物理国家重点实验室的经费支持。

(来源:北京大学工学院)

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