近日，中國科學院上海光學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實驗解析了該材料離子交換的動力學特征及其內(nèi)在化學機理，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、相分離及光學性質(zhì)的研究奠定了堅實的理論及實驗基礎(chǔ)。動力學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、動力學特征及化學機制，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。