長春應(yīng)化所在新型半導(dǎo)體激光器研究中取得重要進展
中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所秦川江課題組和日本九州大學(xué)安達千波矢研究室組成的國際合作團隊開發(fā)了一種基于新型低成本半導(dǎo)體材料-鈣鈦礦的激光器，突破了以往僅能在低溫下連續(xù)穩(wěn)定工作的瓶頸，率先實現(xiàn)了室溫可連續(xù)激光輸出的鈣鈦礦激光器，為該類器件的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。
激光器是將輸入的光或電能量轉(zhuǎn)換成光的器件。由于其發(fā)光高度均勻，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、信息、科研等領(lǐng)域。鈣鈦礦半導(dǎo)體材料具有可低成本溶液加工、發(fā)光波長可調(diào)、發(fā)射光譜穩(wěn)定等優(yōu)點，作為工作物質(zhì)在激光方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，室溫下連續(xù)激發(fā)工作數(shù)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(fā)展。
在有機半導(dǎo)體器件中，正負電荷結(jié)合后，可先形成激子再釋放能量，其激子行為與特性已經(jīng)得到廣泛而深入的研究。激子通常分為單重態(tài)激子和三重態(tài)激子，其中，三重態(tài)激子直接發(fā)光效率低。研究已經(jīng)證實了阻礙有機半導(dǎo)體連續(xù)激光的因素主要是其固有的三重態(tài)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(tài)激子的影響。
準二維鈣鈦礦是一類將相同重復(fù)單元的無機骨架夾在有機層之間的材料。近期，科研人員發(fā)現(xiàn)這種材料中的三重態(tài)激子壽命可長達1微秒，進而猜測其可能是導(dǎo)致激光消失的原因。三重態(tài)激子雖然不發(fā)光，但能與發(fā)光的單重態(tài)激子相互作用，導(dǎo)致它們均以不發(fā)光的形式失去能量。因此，如果鈣鈦礦中存在長壽命三重態(tài)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(tài)能級的有機層，使鈣鈦礦中產(chǎn)生的長壽命激子可以自發(fā)轉(zhuǎn)移至有機層，從而減少單重態(tài)激子能量損失，實現(xiàn)光激發(fā)下連續(xù)的激光產(chǎn)生。此外，通過將鈣鈦礦激光器置于空氣中，使三重態(tài)激子被氧氣淬滅，也可以實現(xiàn)連續(xù)激光，進一步證明了三重態(tài)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(xù)工作1小時后，激光強度基本沒有變化，發(fā)射光譜也沒有移動。
該研究證實了三重態(tài)激子在鈣鈦礦激光工作過程中的關(guān)鍵作用，以及調(diào)控三重態(tài)激子對實現(xiàn)連續(xù)激光的重要性，這些發(fā)現(xiàn)將為未來開發(fā)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(guī)模集成電路平面工藝組成的光電子系統(tǒng)。
相關(guān)研究成果于2020年9月2日發(fā)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(lián)系人，長春應(yīng)化所為第一單位。該研究得到了中國科學(xué)院和長春應(yīng)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(dǎo)體激光器過程及工作示意圖
圖2：工作條件下的室溫連續(xù)激發(fā)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）
中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所秦川江課題組和日本九州大學(xué)安達千波矢研究室組成的國際合作團隊開發(fā)了一種基于新型低成本半導(dǎo)體材料-鈣鈦礦的激光器，突破了以往僅能在低溫下連續(xù)穩(wěn)定工作的瓶頸，率先實現(xiàn)了室溫可連續(xù)激光輸出的鈣鈦礦激光器，為該類器件的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。
激光器是將輸入的光或電能量轉(zhuǎn)換成光的器件。由于其發(fā)光高度均勻，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、信息、科研等領(lǐng)域。鈣鈦礦半導(dǎo)體材料具有可低成本溶液加工、發(fā)光波長可調(diào)、發(fā)射光譜穩(wěn)定等優(yōu)點，作為工作物質(zhì)在激光方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，室溫下連續(xù)激發(fā)工作數(shù)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(fā)展。
在有機半導(dǎo)體器件中，正負電荷結(jié)合后，可先形成激子再釋放能量，其激子行為與特性已經(jīng)得到廣泛而深入的研究。激子通常分為單重態(tài)激子和三重態(tài)激子，其中，三重態(tài)激子直接發(fā)光效率低。研究已經(jīng)證實了阻礙有機半導(dǎo)體連續(xù)激光的因素主要是其固有的三重態(tài)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(tài)激子的影響。
準二維鈣鈦礦是一類將相同重復(fù)單元的無機骨架夾在有機層之間的材料。近期，科研人員發(fā)現(xiàn)這種材料中的三重態(tài)激子壽命可長達1微秒，進而猜測其可能是導(dǎo)致激光消失的原因。三重態(tài)激子雖然不發(fā)光，但能與發(fā)光的單重態(tài)激子相互作用，導(dǎo)致它們均以不發(fā)光的形式失去能量。因此，如果鈣鈦礦中存在長壽命三重態(tài)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(tài)能級的有機層，使鈣鈦礦中產(chǎn)生的長壽命激子可以自發(fā)轉(zhuǎn)移至有機層，從而減少單重態(tài)激子能量損失，實現(xiàn)光激發(fā)下連續(xù)的激光產(chǎn)生。此外，通過將鈣鈦礦激光器置于空氣中，使三重態(tài)激子被氧氣淬滅，也可以實現(xiàn)連續(xù)激光，進一步證明了三重態(tài)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(xù)工作1小時后，激光強度基本沒有變化，發(fā)射光譜也沒有移動。
該研究證實了三重態(tài)激子在鈣鈦礦激光工作過程中的關(guān)鍵作用，以及調(diào)控三重態(tài)激子對實現(xiàn)連續(xù)激光的重要性，這些發(fā)現(xiàn)將為未來開發(fā)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(guī)模集成電路平面工藝組成的光電子系統(tǒng)。
相關(guān)研究成果于2020年9月2日發(fā)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(lián)系人，長春應(yīng)化所為第一單位。該研究得到了中國科學(xué)院和長春應(yīng)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(dǎo)體激光器過程及工作示意圖
圖2：工作條件下的室溫連續(xù)激發(fā)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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