上海光机所等在低阈值红光卤化物钙钛矿单模激光器研究中取得进展

上海光机所在低阈值红光卤化物钙钛矿单模激光器研究中取得进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室与国科大杭州高等研究院合作，针对红光卤化物钙钛矿材料中存在的非辐射损耗严重以及稳定性不足等问题，通过电子云重分布调控载流子动力学的新策略，实现了室温条件下高性能卤化物钙钛矿红光单模激光输出。相关成果以“Manipulating the Carrier Transfer Dynamics Enabled by Electron Cloud Redistribution for Low-Threshold Red Perovskite Single-Mode Laser”为题，发表于 ACS Applied Materials & Interfaces上。

红光半导体激光器在生物医学成像、光通信、显示技术和集成光子芯片等领域具有广阔应用前景。金属卤化物钙钛矿材料因具有优异的光学增益和可溶液加工特性，被认为是构筑低成本微型激光器的理想红光增益介质。然而，红光钙钛矿中含大量碘空位与未配位铅离子，会引发严重非辐射复合，导致器件性能和稳定性受限。

研究人员以全无机CsPbBrI₂钙钛矿薄膜为基础，引入三氟乙酸苯乙基铵（PEATFA）多功能添加剂，通过调控表面电子云分布，实现缺陷钝化与载流子复合优化。实验结果表明，经过处理后的薄膜结晶质量和表面形貌明显改善，结晶度与择优取向显著提升。同时，电子云重分布优化薄膜能带结构，拉长载流子寿命（2.38 ns提升至7.12 ns）、延长光增益寿命（219 ps 延长至 276 ps）。放大自发辐射阈值低至1.5 μJ cm⁻²，并可稳定工作约1.2 × 10⁷个激发脉冲。基于高质量增益薄膜，进一步构筑了简化垂直腔结构，在室温空气环境下成功实现660 nm红光单模激光输出。器件激光阈值低至9.42 μJ cm⁻²，线宽仅0.34 nm，偏振度达到87.4%。该工作从材料缺陷调控、载流子动力学优化和器件结构设计三个层面协同推进，为微型集成红光激光器的发展提供了新思路。

该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省科技厅的资助和支持。

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图1. PEATFA 分子的分子结构及静电势分布及红光钙钛矿激光特性

图2. 原始钙钛矿薄膜和 PEATFA 钝化后钙钛矿薄膜的载流子动力学