刘新风等：大面积高光学增益的CsPbBr3单晶薄膜激光器阵列方面取得进展

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铅卤钙钛矿材料具有较高的光吸收系数、载流子迁移率、电荷扩散长度，及较低的缺陷态浓度等优异的光电性质，可用于激光器，发光二极管和光电探测器等。其中通过溶液旋涂法制备的钙钛矿薄膜被广泛应用于各类光电器件。然而薄膜钙钛矿存在高密度的晶界，这会导致较高的缺陷态密度，引起更多的无辐射复合并影响载流子寿命，从而导致器件性能变差。单晶钙钛矿相比于多晶钙钛矿具有更少的缺陷浓度，更大的载流子迁移率，可以进一步提高器件性能。目前，大面积且具有高光学增益的单晶钙钛矿薄膜的制备仍然存在挑战。

图1：CsPbBr3单晶薄膜的生长机制，形貌和结构表征图

图2：FIB CsPbBr3微米盘阵列的激射性质

        近日，国家纳米科学中心刘新风与北京大学胡小永及张青课题组合作，实现了在c面蓝宝石衬底上制备大面积CsPbBr3单晶薄膜。相关研究成果发表在ACS Nano上（ACS Nano 2020, 14, 11, 15605）。
        该研究中通过调控气相外延生长温度和底物浓度实现了大面积CsPbBr3单晶薄膜的生长。其形貌和结构表征（图1）表明该薄膜具有高的结晶质量和低的缺陷密度。同时分析了该单晶薄膜的光学增益性能,其自发放大辐射阈值为8 μJ cm-2;光学增益系数最大可达1255±160 cm-1。进一步利用聚焦离子束（focused ion beam, FIB）刻蚀技术将CsPbBr3单晶薄膜加工成微米盘阵列，实现了该阵列的激射现象（图2），其激射阈值仅为1.6 μJ cm-2。这些出色的性能预示着CsPbBr3单晶薄膜未来在光学集成中有广泛的应用前景。
        国家纳米科学中心联合培养硕士生钟阳光为该研究的第一作者，国家纳米科学中心刘新风研究员，北京大学胡小永教授和张青教授为共同通讯作者。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类），科技部重点研发计划，国家自然科学基金委和低维量子物理重点实验室开放课题等项目的支持。
       文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c06380。


       文章来源：国家纳米科学中心
       刘新风，2007年在东北师范大学获得硕士学位，导师刘益春教授。2011年在国家纳米科学中心获得博士学位，导师裘晓辉研究员。2011-2015年在新加坡南洋理工大学从事博士后研究工作，合作者Sum Tze Chien教授。2015年进入国家纳米科学中心工作，被聘为“百人计划”研究员。研究方向为超快光学、纳米光子学和非线性光学。至今在Nature Materials, Nature Communications, Nano Letters, Advanced Materials, ACS nano 等国际一流期刊上发表论文30余篇，引用800余次。授权中国专利3项。
       胡小永，北京大学物理学院 教授、博士生导师、国家杰出青年基金获得者。2004年博士毕业于中国科学院物理研究所，2004年-2006年北京大学物理学院博士后，2006年至今在北京大学物理学院现代光学研究所工作。2007年获饶毓泰基础光学奖二等奖，2010年入选教育部新世纪优秀人才支持计划，2010年获王选青年学者奖，2011年获国家自然科学奖二等奖（排名第二），2012年获国家杰出青年科学基金资助。应邀担任重要期刊美国光学学会Optics Letters的专题编辑（任期2012年—2015年）。
       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。