近年來，鈣鈦礦材料作為一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，因具有載流子遷移速率大、擴散長度長、吸收系數(shù)大、量子產(chǎn)率高等優(yōu)點，使得其不僅在光伏領(lǐng)域具有優(yōu)異的表現(xiàn)，在微納激光器以及光電探測等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用。鈣鈦礦微型激光器不僅具有極低的激光閾值，同時工作波長調(diào)諧范圍可覆蓋近紅外到可見光。而混合準(zhǔn)二維鈣鈦礦薄膜材料，因其獨特的幾何結(jié)構(gòu)、可變的帶隙能量和較高的穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，使其在光伏和光電器件領(lǐng)域備受矚目。
a 不同維度鈣鈦礦微型激光器；b 可見光波段調(diào)諧的高品質(zhì)激光器
在鈣鈦礦微型激光器研究方面，張青課題組使用化學(xué)氣相沉積法成功在云母襯底上生長出具有高光學(xué)質(zhì)量和穩(wěn)定性的純無機鈣鈦礦CsPbX3（X=Cl、Br、I）單晶納米片材料，并實現(xiàn)了整個可見波段調(diào)諧的高品質(zhì)激光器（High-Quality Whispering-Gallery-Mode Lasing from Cesium Lead Halide Perovskite Nanoplatelets）。結(jié)果表明，純無機鈣鈦礦CsPbX3納米片結(jié)構(gòu)支持回音壁式（whispering gallery mode）的光學(xué)振蕩，光學(xué)激射峰在400-700nm，半高寬僅為0.14nm，閾值為2.2J/cm2，激光相干性為同類型激光器中最高；同時，實驗獲得CsPbX3的激子結(jié)合能為20-73meV，明顯高于等同禁帶寬度的無機半導(dǎo)體材料，從而對研究強光-激子耦合作用的基礎(chǔ)研究具有重要意義。同時，基于對鈣鈦礦材料微型激光器件的深入研究，張青研究員受邀撰寫基于鈣鈦礦微型激光器件的最新研究進(jìn)展及其在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用的綜述論文（Advances in Perovskite-based Small Lasers，Small Methods, DOI: 10.1002/smtd.201700163）。文章從晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和帶隙工程、激子和自發(fā)輻射以及光增益四個方面重點討論了鈣鈦礦材料的激射特性；同時從材料的維度出發(fā)，討論了鈣鈦礦薄膜、納米片、納米線和量子點等材料對鈣鈦礦激光器各項參數(shù)的影響，并探討了鈣鈦礦微型激光器存在的問題及可行的解決方案。
在混合準(zhǔn)二維鈣鈦礦薄膜材料研究方面，張青課題組采用瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)和熒光光譜技術(shù)，對包含不同相的二維鈣鈦礦混合物(PEA)2(MA)n-1PbnI3n+1 (PEA=C6H5CH2CH2NH3，MA=CH3NH3+)及其載流子動力學(xué)進(jìn)行了詳細(xì)研究（Unveiling Structure Engineered Carrier Dynamics in Hybrid Quasi-Two-Dimensional Perovskites Thin Film Towards Controllable Emission）。通過對比在鈣鈦礦薄膜正反兩面激發(fā)得到的實驗數(shù)據(jù)，課題組發(fā)現(xiàn)這些不同組分的二維鈣鈦礦層在沿垂直基底的方向上是按照n值由基底向外逐漸增大排列的；另一方面，通過開爾文探針力顯微分析法（KPFM），證明了材料表層同時自由分布著不同n值的鈣鈦礦材料。受二維鈣鈦礦層的能級驅(qū)動，薄膜內(nèi)部光誘導(dǎo)產(chǎn)生的電子和空穴會在垂直于基底的方向上發(fā)生載流子（電子和空穴）分離：電子從小n到大n方向轉(zhuǎn)移，而空穴的轉(zhuǎn)移方向則相反。這種內(nèi)部載流子分離可導(dǎo)致電子和空穴分別累積在薄膜的上下表層，有助于提高光生載流子分別向上下表面的擴散效率，減少電子空穴的復(fù)合幾率，提高載流子的提取效率。這一結(jié)果可促進(jìn)二維層狀鈣鈦礦薄膜在太陽能轉(zhuǎn)換和光電探測等領(lǐng)域的應(yīng)用。
準(zhǔn)二維n=3(a,b,c)和n=5(d,e,f)鈣鈦礦薄膜材料反面激發(fā)瞬態(tài)吸收光譜
以上研究得到國家重點研發(fā)計劃（2017YFA0205700；2017YFA0304600）、青年千人計劃及清華大學(xué)低維與量子物理國家重點實驗室的支持。
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