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  中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)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(dá)千波矢研究室組成的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(shí)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(jiān)實(shí)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(zhǎng)可調(diào)、發(fā)射光譜穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，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(huì)消失，并且原因仍未可知，這限制了其進(jìn)一步發(fā)展。

  在有機(jī)半導(dǎo)體器件中，正負(fù)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(shí)了阻礙有機(jī)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(duì)于準(zhǔn)二維鈣鈦礦激光器，人們還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到三重態(tài)激子的影響。

  準(zhǔn)二維鈣鈦礦是一類將相同重復(fù)單元的無(wú)機(jī)骨架夾在有機(jī)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(zhǎng)達(dá)1微秒，進(jìn)而猜測(cè)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(zhǎng)壽命三重態(tài)激子，可能需要將其除去，以免干擾激光。

圖1：溶液旋涂制備低成本鈣鈦礦半導(dǎo)體激光器過(guò)程及工作示意圖

  基于以上考慮，雙方研究人員在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中引入了具有較低三重態(tài)能級(jí)的有機(jī)層，使鈣鈦礦中產(chǎn)生的長(zhǎng)壽命激子可以自發(fā)轉(zhuǎn)移至有機(jī)層，從而減少單重態(tài)激子能量損失，實(shí)現(xiàn)光激發(fā)下連續(xù)的激光產(chǎn)生。此外，通過(guò)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(shí)現(xiàn)連續(xù)激光，進(jìn)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(duì)濕度為55%的空氣中連續(xù)工作1小時(shí)后，激光強(qiáng)度基本沒(méi)有變化，發(fā)射光譜也沒(méi)有移動(dòng)。

圖2：工作條件下的室溫連續(xù)激發(fā)準(zhǔn)二維鈣鈦礦激光器（藍(lán)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）

  該研究證實(shí)了三重態(tài)激子在鈣鈦礦激光工作過(guò)程中的關(guān)鍵作用，以及調(diào)控三重態(tài)激子對(duì)實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光的重要性，這些發(fā)現(xiàn)將為未來(lái)開(kāi)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(chǔ)、以及通過(guò)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3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(zhǎng)春應(yīng)化所為第一單位。該研究得到了中國(guó)科學(xué)院和長(zhǎng)春應(yīng)化所的支持。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2621-1