近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所微結(jié)構(gòu)光物理研究團隊與南京曉莊學(xué)院、中科院上海高等研究院等國內(nèi)研究機構(gòu)合作，在微腔調(diào)制寬帶可調(diào)諧激光研究領(lǐng)域取得重要進展。實現(xiàn)一種新型寬帶隙可調(diào)諧CsPbCl3-3xBr3x納米線狀微腔，并利用密度泛函理論與動力學(xué)實驗解析了該材料離子交換的動力學(xué)特征及其內(nèi)在化學(xué)機理，基于微腔規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)及寬帶隙調(diào)節(jié)特性，在單個微腔上成功實現(xiàn)高品質(zhì)、寬帶可調(diào)諧微納激光輸出。相關(guān)成果于3月1日發(fā)表于[Nano Energy, 71, 104641 (2020)]。

微腔調(diào)制的寬帶可調(diào)諧微納多色激光

具備寬帶可調(diào)諧特性的納米線微納激光光源在微型光電子器件方面具有重要應(yīng)用前景。但是，受制于納米線的窄增益區(qū)間，現(xiàn)行研究大多依賴于單個器件上集成多根納米線實現(xiàn)寬帶可調(diào)諧激光輸出，這極大地阻礙了光電子器件的進一步小型化和集成化。近年來，由于其具備吸收系數(shù)高、熒光產(chǎn)率高、光譜調(diào)諧范圍大等特性，鈣鈦礦材料備受關(guān)注。諸多研究表明，相比于傳統(tǒng)光學(xué)材料，鈣鈦礦納米線微納激光具備高品質(zhì)、低閾值、寬帶可調(diào)諧特性。然而，受制于鈣鈦礦材料柔軟的晶格特性，單根鈣鈦礦納米線很難實現(xiàn)寬帶可調(diào)諧激光輸出。因此，需要探索新的制備方案和機理，以優(yōu)化鈣鈦礦納米線的形貌結(jié)構(gòu)、晶體質(zhì)量以及增益區(qū)間，從而實現(xiàn)寬帶可調(diào)諧的微納激光輸出。

在該項研究中，研究人員首先通過改進的化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備了高質(zhì)量鈣鈦礦納米線狀微腔，然后基于陰離子固相遷移反應(yīng)在單根納米線上成功實現(xiàn)了寬帶隙可調(diào)熒光發(fā)光。結(jié)合密度泛函理論，研究人員解析了鈣鈦礦納米結(jié)構(gòu)中陰離子遷移的原子路徑，揭示了離子遷移的基本過程并闡明其離子遷移的來源——小的離子遷移激活能，為材料離子遷移、相分離及光學(xué)性質(zhì)的研究奠定了堅實的理論及實驗基礎(chǔ)。動力學(xué)實驗進一步佐證了理論結(jié)果，隨著反應(yīng)時間的變化，單根納米線歷經(jīng)三個主要過程：首先，由發(fā)光一致的納米線逐漸變化為帶隙可調(diào)納米線；然后，納米線整體帶隙可調(diào)，但是其帶隙隨著反應(yīng)時間增加而減小；最后，納米線被整體同化，轉(zhuǎn)化為發(fā)光一致的納米線，但整體發(fā)光波長較開始階段紅移。實現(xiàn)的納米線狀微腔具備規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)、光滑的表面及寬帶可調(diào)諧特性，可同時作為增益介質(zhì)及光學(xué)微腔，進而實現(xiàn)單根納米線寬帶可調(diào)諧激光輸出，實驗上成功獲得了480-525 nm的寬帶可調(diào)諧微納多色激光。

該項研究解析了鈣鈦礦納米結(jié)構(gòu)中離子遷移的原子路徑、基本過程、動力學(xué)特征及化學(xué)機制，并利用單根納米線狀微腔實現(xiàn)了寬帶可調(diào)諧激光輸出，為分析鈣鈦礦材料離子遷移與光電性能的聯(lián)系等提供了堅實的理論及實驗基礎(chǔ)，進一步推進了高品質(zhì)寬帶可調(diào)諧微納多色納米激光器的研究進展。