張青課題組鈣鈦礦微腔光子-激子強耦合及激光器件研究取得進展

微腔激光器是光子晶元的核心器件之一。設計連續光乃至電驅動微腔激光器是廣電信息領域的挑戰。基於光子-激子強耦合效應，實現激子-極化激元的波色愛因斯坦凝聚，為發展低閾值微腔激光器提供了一條解決方案。當前，由於無機半導體材料的激子結合能較低，其激子極化激元僅在寬禁帶半導體或者造價昂貴的量子阱中結構中實現。儘管有機半導體材料具有較大的激子結合能，其弱非線性係數及較差的晶格質量極大地阻礙了極化激元的凝聚。

金屬鹵化物鈣鈦礦材料兼具無機及有機半導體的優點，如低廉的製備成本、高的光吸收效率、低缺陷濃度、長的載流子傳輸距離、簡易調諧的禁帶寬度及優異的增益特性，在低閾值固態微腔激光器領域有重要的應用前景。近期，北京大學工學院張青研究員課題組在可見發光的鈣鈦礦納米線微腔的光-物質強相互作用領域取得新進展，為基於激子極化激元的玻色-愛因斯坦凝聚效應實現低閾值微腔激光器提供了思路。相關工作在線發表在Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04847)、ACS Photonics (DOI: 10.1021/acsphotonics.7b01593)、Adv. Opt. Mater. 2018, 6, 1701032。

圖 a. 角分辨熒光光譜系統。b. CsPbBr3納米線的熒光色散曲線（插圖），以及激光閾值-拉比霹靂曲線。c. MAPbBr3納米線在glass和SiO2/Ag襯底上拉比劈裂能隨著有效模式體積的變化關係。

通過空間角分辨熒光光譜，課題組在有機-無機混合鈣鈦礦MAPbBr3納米線微腔中首次觀測到該材料體系的激子-極化子激元效應，光子-激子耦合強度隨著納米線的尺寸減小而增加，室溫的拉比劈裂能高達390 meV，工作發表在Adv. Opt. Mater.雜誌，並被Wiley Materials & Views以亮點工作報道，入選該期刊2018年2月及3月高下載論文。振子濃度和模式體積是影響微腔光子-激子強耦合作用的關鍵因素。他們通過引入表面等離激元納腔，設計MAPbBr3納米線-SiO2-Ag混合微腔結構，有效提高了局域振子數目，使拉比劈裂能增強至564 meV，群折射率提高至17。工作發表在Nano Letters，第一作者為北大2017級直博生尚秋宇。進一步，在結構穩定、高質量純無機CsPbBr3納米線中，通過提高光子-激子耦合強度降低激光閾值，在耦合強度高於450 meV時，觀測到室溫激子-極化子激光,激光器的閾值降低約7倍，工作發表在ACS Photonics。以上研究結果對於低閾值微型激光器、量子通信、非線性光學等領域有重要意義。

該系列工作與國家納米科學中心劉新風教授、北京大學物理學院肖雲峰教授、工學院張艷鋒教授以及南洋理工大學熊啟華教授、阿卜杜拉國王大學吳韜教授的課題組合作完成。研究得到國家重點研發計劃、青年千人計劃、北京大學「雙一流」計劃及清華大學低維與量子物理國家重點實驗室的經費支持。

論文鏈接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.201701032/abstract

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.7b01593

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b04847

文圖編輯 | COE

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