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纳米光子与集成器件研究团队王笑、周洪等在钙态矿纳米激光器研究上取得重要进展

钙钛矿材料由于具有高的光吸收特性、长的载流子寿命和载流子扩散长度、极高的荧光量子效率以及可见光范围内带隙可调等优异的光电特性,使其在太阳能电池、光电探测、新型照明与显示以及激光器等领域展现出了诱人的应用前景。我校物理与微电子科学学院潘安练教授领衔的纳米光子与集成器件研究团队的王笑教授、周洪助理教授等致力于钙态矿纳米激光器研究,取得了系列重要进展。  
 
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图片说明:波长可调的纳米激光器与多光子激发纳米激光器的实现
 
当前,有机-无机杂化钙钛矿材料的环境稳定性和光稳定性相对较差等问题,仍是阻碍其材料实际应用的难题。纳米光子与集成器件研究团队王笑教授、周洪助理教授等采用气相沉积法在SiO2/Si衬底上首次生长出具有高稳定性和高光学质量的全无机钙钛矿单晶纳米线,并通过能带工程实现了波长在整个可见光波段连续可调谐的纳米激光器。该成果以“Vapor Growth and Tunable Lasing of Band Gap Engineered Cesium Lead Halide Perovskite Micro/Nanorods with Triangular Cross Section”为题发表在纳米科技顶级期刊ACS Nano 上 (2017, 11, 1189–1195,IF=13.3)。青年教师周洪为文章第一作者。
 
另外,研究团队还发现该体系纳米线具有非常高效的多光子吸收特性,并成功实现了多光子激发的纳米线激光。这一研究将为钙钛矿纳米结构在频率上转换以及光互联器件上的应用带来了新的机遇。相关研究成果“Cesium Lead Halide Perovskite Triangular Nanorods as High Gain Medium and Effective Cavity for Multi-photon Pumped Laser”于近日被纳米领域重要期刊Nano Research(SCI 一区,IF=8.89)接收发表。博士生王晓霞,硕士生袁双平为共同第一作者分别负责了材料的制备与光学表征研究。
 
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据了解,以上工作的共同通信作者王笑于2012年在德国图宾根大学取得博士学位,之后担任课题组长留校任教。王笑所在的德国团队和潘安练教授团队有着长期紧密合作,近年来举行了多次中德双边学术研讨会,并在多个研究领域开展了系统深入合作。近期王笑获聘教授回国加盟了我校物理与微电子科学学院(岳麓学者晨星A岗),加入潘安练教授领衔的纳米光子与集成器件研究团队,从事高分辨近场光学与微纳光电器件研究。王笑教授回国后短短的半年里已经取得了包括以上成果在内的多方面研究进展。
 
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图片说明:钙钛矿/稀土硅酸盐复合波导结构近红外通信光探测器结构示意图和光电响应结果。
 
同时,该课题组最近在钙钛矿红外尤其是光通讯波段的应用也取得了重要突破,成功构建了一种钙钛矿/稀土硅酸盐纳米片复合异质结构,通过硅酸铒纳米片吸收红外光并限域上转换光,在光波导过程中经由异质结构界面有效耦合至钙钛矿薄膜,这一过程进一步提高了钙钛矿对上转换可见光的吸收,最终实现了钙钛矿材料的高效、快速的通讯波段(1530-1565 nm)光探测,大大推动了钙态矿材料在集成光子和光通讯系统上的应用步伐。相关结果最近被材料领域的顶级期刊Advanced Materials(IF=18.96)接收发表。论文的第一作者为潘安练教授指导的博士研究生张学红。
 
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       图片说明:界面能带连续可调二维原子晶体异质结构示意图及发光光谱结果。
 
       另外,课题组还在能带可调二维原子晶体平面异质结构可控生长方面也取得重要突破。首次通过新发现的原子取代方法,实现了对二维半导体化学组分的可控调节,得到了界面能带排列连续可调的新型原子尺度异质结构的有效构建。该成果成功发表在ACS Nano 上(2017, 11, 961-967,IF=13.3)。这一技术突破为二维原子晶体半导体材料实现在新型光电器件中的应用铺平了道路。潘教授的博士生李洪来为文章第一作者,这也是李洪来在博士期间作为第一作者发表两篇JACS(IF=13)之后,再一次在国际顶级期刊上发表论文。