张青课题组实现器件面积小于1平方微米的钙钛矿连续激光源

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构建器件面积小于1μm2的连续激光源对满足片上光互连低能耗要求具有重要意义。然而，随着器件尺寸的减小，光学和材料损耗显著增加，因此实现激光光源的亚微米器件尺寸和连续光泵浦极具挑战。近年来，卤化物钙钛矿材料因其高光学增益和独特的激子极化激元特性在连续光泵浦激光领域受到广泛关注。迄今报道的钙钛矿连续激光源的器件面积仍大于10μm2，而亚微米激光源均需较高泵浦能量密度的脉冲光进行激发。
         针对该挑战，北京大学材料科学与工程学院张青课题组成功制备了高质量钙钛矿亚微米单晶材料，实现连续光泵浦激光源，器件面积低至0.65μm2。同时揭示了光子−激子强耦合区域的一种反常阈值-尺寸构效关系，深入理解激子极化激元在亚微米连续光泵浦激射过程的作用机制，为开发小尺寸低阈值半导体激光器提供了新思路。研究结果以“Continuous-Wave Pumped Perovskite Lasers with Device Area Below 1 µm2”为题，于2023年6月14日发表在Advanced Materials。
该工作利用化学气相沉积法在蓝宝石衬底上制备了全无机钙钛矿CsPbBr3单晶微米片，观察到室温下钙钛矿激子与回音壁微腔光子发生强耦合，形成激子极化激元。通过发射强度从线性到非线性变化、线宽变窄、发射偏振转变和阈值处空间相干性转变等一系列证据，证实了亚微米尺寸CsPbBr3单晶片的连续光泵浦荧光激射，其器件面积最低至0.65μm2。同时发现，亚微米激光光源的阈值与大尺寸激光光源相当，甚至可以更低（图1）。

图1 连续光泵浦亚微米CsPbBr3激光光源

        进一步，该工作从实验和理论两方面进行了探索，揭示了激子极化激元在实现亚微米连续激光源中的作用机制。亚微米尺寸钙钛矿中增强的光子−激子耦合作用导致群折射率显著增大至约80，进而大幅提升其模式增益以补偿模式损耗。同时，这也导致钙钛矿亚微米激光源可具有更高的有效微腔品质因子和更窄的发射线宽（图2）。该机制也为开发基于其他半导体材料的小尺寸低阈值激光器提供了新见解。
        北京大学材料科学与工程学院2020级直博生宋杰朋为论文第一作者，北京大学为论文第一单位，张青和清华大学物理系熊启华教授为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和北京市杰出青年科学基金的支持。
          文章来源：北京大学
       张青，北京大学工学院材料科学与工程系研究员，博士生导师。2005年本科毕业于中国科学技术大学材料科学与工程系，2011年博士毕业于清华大学物理系（导师:薛其坤院士），2011至2016年在新加坡南洋理工大学物理与应用物理系从事博士后研究（合作导师：Prof. Xiong Qihua）。2016年3月加入北京大学工学院。她的研究兴趣包括半导体光学、纳米光子学、表面等离激元等，在纳米线激光器、钙钛矿光电材料等领域获得了一系列有影响力的结果，在Nature Photonics, Nature Communications, Nano Letters, Advanced Materials等国际权威杂志发表学术论文近40篇，并多次受邀撰写半导体材料与光学综述论文及专著。