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長春應化所在新型半導體激光器研究中取得重要進展
2020-09-02 | 編輯: | 【  

  中國科學院長春應用化學研究所秦川江課題組和日本九州大學安達千波矢研究室組成的國際合作團隊開發了一種基于新型低成本半導體材料-鈣鈦礦的激光器,突破了以往僅能在低溫下連續穩定工作的瓶頸,率先實現了室溫可連續激光輸出的鈣鈦礦激光器,為該類器件的產業化應用奠定了堅實基礎。

  激光器是將輸入的光或電能量轉換成光的器件。由于其發光高度均勻,被廣泛應用于工業、醫療、信息、科研等領域。鈣鈦礦半導體材料具有可低成本溶液加工、發光波長可調、發射光譜穩定等優點,作為工作物質在激光方面具有廣闊的應用前景。然而,室溫下連續激發工作數分鐘后鈣鈦礦激光將會消失,并且原因仍未可知,這限制了其進一步發展。

  在有機半導體器件中,正負電荷結合后,可先形成激子再釋放能量,其激子行為與特性已經得到廣泛而深入的研究。激子通常分為單重態激子和三重態激子,其中,三重態激子直接發光效率低。研究已經證實了阻礙有機半導體連續激光的因素主要是其固有的三重態激子特性,但對于準二維鈣鈦礦激光器,人們還沒有認識到三重態激子的影響。

  準二維鈣鈦礦是一類將相同重復單元的無機骨架夾在有機層之間的材料。近期,科研人員發現這種材料中的三重態激子壽命可長達1微秒,進而猜測其可能是導致激光消失的原因。三重態激子雖然不發光,但能與發光的單重態激子相互作用,導致它們均以不發光的形式失去能量。因此,如果鈣鈦礦中存在長壽命三重態激子,可能需要將其除去,以免干擾激光。

  基于以上考慮,雙方研究人員在準二維鈣鈦礦中引入了具有較低三重態能級的有機層,使鈣鈦礦中產生的長壽命激子可以自發轉移至有機層,從而減少單重態激子能量損失,實現光激發下連續的激光產生。此外,通過將鈣鈦礦激光器置于空氣中,使三重態激子被氧氣淬滅,也可以實現連續激光,進一步證明了三重態激子是造成激光消失的原因之一。而且,激光器在相對濕度為55%的空氣中連續工作1小時后,激光強度基本沒有變化,發射光譜也沒有移動。

  該研究證實了三重態激子在鈣鈦礦激光工作過程中的關鍵作用,以及調控三重態激子對實現連續激光的重要性,這些發現將為未來開發低成本、可溶液加工和超小型化的電致鈣鈦礦激光器件鋪平道路。該類激光器有望用于光通信、光信息處理、光存儲、以及通過大規模集成電路平面工藝組成的光電子系統。

  相關研究成果于2020年9月2日發表在Nature雜志上。秦川江研究員是論文的第一作者和第一通訊聯系人,長春應化所為第一單位。該研究得到了中國科學院和長春應化所的支持。

    論文鏈接

圖1:溶液旋涂制備低成本鈣鈦礦半導體激光器過程及工作示意圖

圖2:工作條件下的室溫連續激發準二維鈣鈦礦激光器(藍色為光泵浦源488nm固體激光器光路,綠色為鈣鈦礦激光器及激光)

 
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