上海光机所等在微纳多色激光研究领域取得进展
- 2020/3/6 13:55:58 22781
- 来源：仪表网
【仪表网 仪表研发】近日，中国科学院上海光学精密机械研究所激光与红外材料实验室由研究员张龙、董红星的微结构光物理研究团队与南京晓庄学院、中科院上海高等研究院等国内研究机构合作，在微腔调制宽带可调谐激光研究领域取得新进展。实现一种新型宽带隙可调谐CsPbCl3-3xBr3x纳米线状微腔，并利用密度泛函理论与动力学实验解析了该材料离子交换的动力学特征及其内在化学机理，基于微腔规则的几何结构及宽带隙调节特性，在单个微腔上成功实现高品质、宽带可调谐微纳激光输出。
纳米线可以被定义为一种具有在横向上被限制在100纳米以下(纵向没有限制)的一维结构。悬置纳米线指纳米线在真空条件下末端被固定。典型的纳米线的纵横比在1000以上，因此它们通常被称为一维材料。
根据组成材料的不同，纳米线可分为不同的类型，包括金属纳米线，半导体纳米线和绝缘体纳米线。纳米线均在实验室中生产，截至2014年尚未在自然界中发现。纳米线可以由悬置法、沉积法或者元素合成法制得。悬置纳米线可以通过对粗线的化学刻蚀得来，也可以用高能粒子(原子或分子)轰击粗线产生。实验室中生长的纳米线分为两种，分别为垂直于基底平面的纳米线和平行于基底平面的纳米线。
具备宽带可调谐特性的纳米线微纳激光光源在微型光电子器件方面具有重要应用前景。但是，受制于纳米线的窄增益区间，现行研究大多依赖于单个器件上集成多根纳米线实现宽带可调谐激光输出，这极大地阻碍了光电子器件的进一步小型化和集成化。近年来，由于其具备吸收系数高、荧光产率高、光谱调谐范围大等特性，钙钛矿材料备受关注。诸多研究表明，相比于传统光学材料，钙钛矿纳米线微纳激光具备高品质、低阈值、宽带可调谐特性。然而，受制于钙钛矿材料柔软的晶格特性，单根钙钛矿纳米线很难实现宽带可调谐激光输出。因此，需要探索新的制备方案和机理，以优化钙钛矿纳米线的形貌结构、晶体质量以及增益区间，从而实现宽带可调谐的微纳激光输出。
在该项研究中，研究人员首先通过改进的化学气相沉积技术制备了高质量钙钛矿纳米线状微腔，然后基于阴离子固相迁移反应在单根纳米线上成功实现了宽带隙可调荧光发光。
化学气相沉积是一种化工技术，该技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。化学气相淀积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。化学气相淀积已成为无机合成化学的一个新领域。
结合密度泛函理论，研究人员解析了钙钛矿纳米结构中阴离子迁移的原子路径，揭示了离子迁移的基本过程并阐明其离子迁移的来源——小的离子迁移激活能，为材料离子迁移、相分离及光学性质的研究奠定了坚实的理论及实验基础。动力学实验进一步佐证了理论结果，随着反应时间的变化，单根纳米线历经三个主要过程：首先，由发光一致的纳米线逐渐变化为带隙可调纳米线；然后，纳米线整体带隙可调，但是其带隙随着反应时间增加而减小；后，纳米线被整体同化，转化为发光一致的纳米线，但整体发光波长较开始阶段红移。实现的纳米线状微腔具备规则的几何结构、光滑的表面及宽带可调谐特性，可同时作为增益介质及光学微腔，进而实现单根纳米线宽带可调谐激光输出，实验上成功获得了480-525 nm的宽带可调谐微纳多色激光。
该项研究解析了钙钛矿纳米结构中离子迁移的原子路径、基本过程、动力学特征及化学机制，并利用单根纳米线状微腔实现了宽带可调谐激光输出，为分析钙钛矿材料离子迁移与光电性能的联系等提供了坚实的理论及实验基础，进一步推进了高品质宽带可调谐微纳多色纳米激光器的研究进展。
资料来源：百科、上海光学精密机械研究所
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