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上海光機所在微納結構單模激光研究方面取得重要進展

来源: 发布时间:2019-10-14 13:22:00

 

  近日,上海光机所激光與紅外材料實驗室張龍研究员、董红星研究员领衔的微结构与光物理研究团队与南京晓庄学院、中科院上海技物所等国内研究机构合作在微纳单模激光研究领域取得重要进展。该团队创新提出并制备了一种新型全无机钙钛矿RbPbBr3材料,通過理論模擬與實驗解析了鈣钛礦材料的相態轉變過程及其內在化學機制,並基于鈣钛礦RbPbBr3材料成功实现高品质、蓝光单模激光的输出。相关論文发表在[Angewandte Chemie International Edition, 58, 201910617 (2019)]。

  鈣钛礦材料由于其在可見光譜區具備高吸收、高熒光發射、寬光譜調諧等優異特性,近年來備受關注。近期研究更是表明鈣钛礦材料相比以往光學材料具備優異的光學增益特性,這使其在微納激光領域具備巨大的研究價值及應用前景。鈣钛礦材料中無機鈣钛礦材料地位尤爲重要,其良好的化學穩定性及大激子結合能更加有利于高品質微納激光的輸出。但是,受制于容限因子常數t>0.8的限制,目前唯有鈣钛礦相CsPbX3成功應用于微納激光的研究。Rb作爲Cs同主族元素,有望替代Cs合成全無機鈣钛礦相RbPbX3材料。此外,由于其柔軟的晶格結構,鈣钛礦材料易于發生相轉變,相變的研究對于理解鈣钛礦材料優異特性的來源至關重要。但是,現行研究對于鈣钛礦材料相變過程及機理的解析尚有許多不足,尤其在鈣钛礦-非鈣钛礦相變中材料的光學特性往往發生巨大改變,有待研究人員進一步探索。RbPbBr3的容限因子爲0.78,非常適合解析鈣钛礦-非鈣钛礦相變的過程及化學機制,並且鈣钛礦相RbPbBr3具備良好光學特性,有利于實現高品質微納激光輸出,但是純的全無機鈣钛礦相RbPbBr3在合成方面面臨很大挑戰。

  該項研究中,研究人員首先通過理論模擬解析了鈣钛礦相與非鈣钛礦相RbPbBr3的晶體結構,XRD衍射圖譜及能帶結構。理論解析得到鈣钛礦相和非鈣钛礦相RbPbBr3分別表現爲直接和間接帶隙,並且理論解析其鈣钛礦相形成條件。基于改進的氣相傳輸冷凝技術,結合熱處理工藝,研究人員成功制備出了高品質亞微米尺度三維球形RbPbBr3,並在實驗中實現了非鈣钛礦-鈣钛礦相轉變,鈣钛礦相RbPbBr3光學性能優異。研究人員通過系統研究RbPbBr3鈣钛礦-非鈣钛礦相轉變發生的實驗條件及化學機制,解析了無機鈣钛礦材料相態轉變的詳細過程並闡明了其內在化學機制,爲鈣钛礦材料的相穩定以及光學性質的研究奠定了堅實的理論及實驗基礎。無機鈣钛礦RbPbBr3微球表面光滑、結構規則、尺寸可控,在460nm具備良好的熒光吸收及發射性質,可同時用于增益介質及光學微腔實現微納激光輸出。研究人員在高品質RbPbBr3微球腔內實現了高品質、窄帶寬藍光單模激光輸出(圖1)。該研究理論結合實驗,闡明了鈣钛礦材料相變的詳細過程及其內在化學機制,並將新型全無機鈣钛礦RbPbBr3應用于高品質單模激光輸出,爲進一步解析鈣钛礦材料晶體結構與光電性能的聯系及相穩定的研究提供了堅實的理論及實驗基礎,對高品質微納激光器件、多色激光器及激光顯示等的研究具備重要意義。

  相关工作得到了国家自然科学基金委、上海市启明星项目的支持。(激光與紅外材料實驗室)

  原文鏈接

图1 全无机钙钛矿相RbPbBr3高品質單模激光

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