在低激光閾值的條件下，研究人員已經(jīng)成功的利用有機(jī)-無機(jī)和純無機(jī)三維(3D)鈣鈦礦、準(zhǔn)二維鈣鈦礦和二維鈣鈦礦等多種鈣鈦礦增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了放大自發(fā)射(Amplified spontaneous emission, ASE)和光泵浦脈沖激光。在140 K以下溫度也已經(jīng)觀察到了鈣鈦礦在近紅外區(qū)域的連續(xù)激光發(fā)射。即使將溫度提高到室溫，激光也能夠持續(xù)250 s。相較于3D鈣鈦礦材料，有機(jī)-無機(jī)鹵化鉛準(zhǔn)二維(quasi-2D)鈣鈦礦材料成本低廉、顏色可調(diào)、穩(wěn)定性好，具有更高的激子結(jié)合能和天然的量子阱，此外還可以溶液法加工，這些特性表明它們是比3D鈣鈦礦材料更好的發(fā)射介質(zhì)和增益介質(zhì)，可用于發(fā)光二極管和激光應(yīng)用。光泵浦連續(xù)波激光發(fā)射(continuous-wave lasing, CW lasing)在高密度集成光電子器件的實(shí)際應(yīng)用中非常受歡迎，它是邁向電泵浦激光的關(guān)鍵一步。然而，即使在低溫條件下，準(zhǔn)二維鈣鈦礦的連續(xù)激光仍未實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致鈣鈦礦激光死亡（lasing death）現(xiàn)象（指的是激光在連續(xù)光泵浦模式下工作一小段時(shí)間就突然停止的現(xiàn)象）的內(nèi)在機(jī)理尚不清楚。
近日，中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的秦川江研究員和日本九州大學(xué)安達(dá)千波矢研究室組成的國際合作團(tuán)隊(duì)，針對(duì)含有不同有機(jī)陽離子的鹵化鉛quasi-2D鈣鈦礦薄膜展開研究，并觀察到，在ASE和光泵浦脈沖以及CW激光發(fā)射過程中，長(zhǎng)壽命的三態(tài)激子顯著地阻礙了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（population inversion）。研究結(jié)果表明，單線態(tài)-三線態(tài)激子的湮滅（singlet-triplet exciton annihilation, STA）可能是導(dǎo)致激光死亡的內(nèi)在機(jī)制。通過采用高品質(zhì)因子的分布反饋腔，以及三線態(tài)管理策略，研究人員成功的在室溫條件下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的連續(xù)光泵浦的綠色準(zhǔn)二維鈣鈦礦激光器件。該工作為開發(fā)高效的鈣鈦礦激光器件提供了指引。該研究以題為“Stable room-temperature continuous-wave lasing in quasi-2D perovskite films”的論文發(fā)表在最新一期的《Nature》上。
采用有機(jī)半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)CW和電泵浦激光器件的主要障礙是高載流子密度下發(fā)生的三線態(tài)集聚引起的光損耗和激子損耗。解決辦法之一就是抑制三線態(tài)的吸收損耗和單線態(tài)-三線態(tài)激子的湮滅。
為了驗(yàn)證三線態(tài)激子引起的STA阻礙了quasi-2D鈣鈦礦材料的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，作者制備了兩種quasi-2D鈣鈦礦材料：PEABr和NMABr。其中，PEABr材料P2F8的有機(jī)陽離子三線態(tài)能量較高，而NMABr材料N2F8的有機(jī)陽離子三線態(tài)能量較低。它們的尺寸相同，但是由于能級(jí)排列不同，所以三線態(tài)轉(zhuǎn)移方式有所差異。
從化學(xué)結(jié)構(gòu)上可以看出，對(duì)N2F8而言，三線態(tài)能量可以轉(zhuǎn)移至NMA，但是P2F8材料中則觀察不到能量轉(zhuǎn)移（圖1a）。作者研究了在室溫下不同光泵浦強(qiáng)度對(duì)N2F8和P2F8薄膜發(fā)射光譜的影響（圖1c）。結(jié)果顯示在高泵浦強(qiáng)度下，P2F8和N2F8分別在550 nm和555 nm出表現(xiàn)出強(qiáng)發(fā)射峰。同時(shí)，半峰寬（full-width at half maximum, FWHM）下降到4 nm，表明ASE開始出現(xiàn)（圖1d）。此外，作者還研究了在三種不同氣體環(huán)境下（氧氣，空氣和氮?dú)猓珹SE強(qiáng)度的演變（圖1e）。結(jié)果顯示P2F8的ASE強(qiáng)度在氮?dú)庵醒杆偎p，而N2F8材料則較為穩(wěn)定，作者認(rèn)為這種差異來自于STA效應(yīng)。
基于這兩種材料，作者制備了面發(fā)射激光器件（圖2a, b）,并對(duì)其在不同脈沖能量下的激光發(fā)射強(qiáng)度進(jìn)行研究（圖2c）。N2F8薄膜較低的閾值（4.7 μJ cm-2）可能源于僅僅只有單線態(tài)激子導(dǎo)致的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或是腔模與增益之間更好的匹配。發(fā)射光譜（圖2d, e）顯示P2F8和N2F8薄膜的激光發(fā)射波長(zhǎng)分別為552 nm和559 nm，且都保持了約0.45 nm的半峰寬，具有超過1000的高品質(zhì)因子。
最后，作者測(cè)試了基于P2F8和N2F8薄膜激光器件在空氣中的連續(xù)波激光發(fā)射性能（圖3）。P2F8材料的激光發(fā)射峰位于553 nm，半峰寬為1 nm；而N2F8材料的發(fā)射峰位于555 nm，半峰寬為0.8 nm。此外，通過調(diào)整光柵的周期，還可以調(diào)節(jié)激光器件的發(fā)射波長(zhǎng)（552 to 547 nm，P2F8，圖3d）。上述結(jié)果表明作者成功實(shí)現(xiàn)了在空氣中室溫條件下準(zhǔn)2D鈣鈦礦材料的連續(xù)波激光發(fā)射。
總結(jié)：作者指出目前困擾研究人員多年的鈣鈦礦激光器件中激光死亡這一現(xiàn)象的原因可能來源于單線態(tài)-三線態(tài)激子的湮滅。并成功的解決了這一問題，實(shí)現(xiàn)了在空氣中室溫條件下quasi-2D鈣鈦礦激光器件的連續(xù)波激光發(fā)射。該工作為開發(fā)高效的鈣鈦礦激光器件提供了指引，并為溶液法制備的鈣鈦礦材料中實(shí)現(xiàn)電致激光帶來了曙光。
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