高性能二维材料/钙钛矿复合结构纳米激光器

Due to its unique optical properties, e.g. large optical gain, long carrier diffusion length, low defect density, low non-radiative recombination rate and extremely high internal quantum efficiency, inorganic perovskite (CsPbX3, X=Cl, Br and I) keeps promise for the high-performance nano-lasers. However, its low thermal conductivity, poor thermostability and environmental stability, leading to its easy phase transition and decomposition under high heat flux, and solubility in polar solvents, make it difficult to integrate into high energy density optoelectronic devices and hard to realize continuous-wave pumped room-temperature laser and electrically driven laser. This proposal intends to combine the unique physical properties of two-dimensional materials and perovskite nanomaterials to prepare a two-dimensional material/perovskite hybrid structure laser. The hybrid structure is designed to manage the thermal runaway of the laser, improve the stability of the perovskite laser, and make the perovskite nanomaterials compatible with traditional micro/nano processing technology. This proposal aims at studying of (1) thermal management of two-dimensional material/perovskite hybrid structure to prepare lasers with lower threshold and higher working temperature; (2) continuous-wave pumped room-temperature two-dimensional material/perovskite hybrid structure laser; (3) design and preparation of electrically driven two-dimensional material/perovskite lasers. Through the above studies, it is helpful to improve the perovskite nano-lasers’ performance and make it one step further to realize practical applications.

无机钙钛矿材料（CsPbX3，X=Cl，Br，I）由于具有大的光学增益，长载流子寿命、低缺陷密度、低非辐射复合速率和极高的内量子效率，使之成为优异的纳米激光器材料。然而，其较低的热导率、较差的稳定性，导致其容易热相变、分解，及溶于极性溶剂，使之很难集成到高能量密度的光电子器件上，也成为发展室温连续光泵浦或电泵浦激光器的最大困难。本项目拟结合二维材料与钙钛矿纳米材料各自的物理特性，制备二维材料/钙钛矿复合结构激光器，对激光器中的热扩散进行管控、提高钙钛矿激光器的稳定性、解决钙钛矿纳米材料与传统微纳加工工艺的兼容性问题。开展以下方面的研究：1）二维材料/钙钛矿复合结构的热扩散调控，制备更低阈值、更高工作温度的激光器；2）二维材料/钙钛矿复合结构的室温连续光泵浦激光器；3）设计并制备电泵浦二维材料/钙钛矿复合结构激光器。通过上述内容的研究，有利于提高钙钛矿纳米激光器性能，使其往实际应用推进一步。

钙钛矿纳米材料由于其优异的光学性质，作为增益介质在连续光泵浦激光器以及电泵浦激光器方面被寄予厚。本项目结合二维材料与钙钛矿纳米材料各自的物理特性，制备二维材料/钙钛矿复合结构激光器，对激光器中的热扩散进行管控、提高钙钛矿激光器的稳定性、解决钙钛矿纳米材料与传统微纳加工工艺的兼容性问题。项目开展以下方面的研究：1）二维材料/钙钛矿复合结构的热扩散调控，制备更低阈值、更高工作温度的激光器；2）二维材料/钙钛矿复合结构的室温连续光泵浦激光器；3）设计并制备电泵浦二维材料/钙钛矿复合结构激光器。在项目执行过程中共发表学术论文9篇，其中7篇为本项目第一资助，包括1篇Nano Letters，1篇ACS Nano，1篇ACS Photonics，1篇Science Bulletin，1篇Applied Physics Letters，1篇ACS Applied Nano Materials，1篇Frontiers of Physics。取得了系列研究进展，包括研制了耐辐照的CsPbBr3纳米片激光器，实现了低激射阈值和高工作温度的防水钙钛矿/六方氮化硼复合纳米激光器；开发了在柔性基板上直接合成高质量钙钛矿纳米片和其定向转移，用于制备微腔的银薄片的确定性和可更换转移技术；制备了电泵浦的二维材料/钙钛矿复合结构电致发光器件，并首次实现电泵浦钙钛矿激子-极化子；研究了防水的CsPbBr3钙钛矿激光器及其在溶液中的应用。项目取得的关键技术，对于制备基于钙钛矿的纳米激光器具有重要的指导作用。在抗辐照和极性溶剂方面取得的激光器成果，将有助于其在特殊的环境中，如新的太空技术、深海环境中取得应用。在激子-极化子方面取得的电泵浦成果，有助于开发不需要粒子数反转的电泵浦钙钛矿纳米激光器。通过上述内容的研究，有利于提高钙钛矿纳米激光器性能，使其往实际应用推进一步。