近日，中國科學院上海光學精密機械研究所微結構與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研究機構合作，在微腔調制寬帶可調諧激光研究領域取得重要進展。實現一種新型寬帶隙可調諧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在化學機理，基于微腔規則的幾何結構及寬帶隙調節特性，在單個微腔上成功實現高品質、寬帶可調諧微納激光輸出。相關成果于3月1日發表于國際著名期刊《納米能源》（Nano Energy）。
具備寬帶可調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用前景。但是，受制于納米線的窄增益區間，現行研究大多依賴于單個器件上集成多根納米線實現寬帶可調諧激光輸出，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高、熒光產率高、光譜調諧范圍大等特性，鈣鈦礦材料備受關注。諸多研究表明，相比于傳統光學材料，鈣鈦礦納米線微納激光具備高品質、低閾值、寬帶可調諧特性。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寬帶可調諧激光輸出。因此，需要探索新的制備方案和機理，以優化鈣鈦礦納米線的形貌結構、晶體質量以及增益區間，從而實現寬帶可調諧的微納激光輸出。
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制備了高質量鈣鈦礦納米線狀微腔，然后基于陰離子固相遷移反應在單根納米線上成功實現了寬帶隙可調熒光發光。結合密度泛函理論，研究人員解析了鈣鈦礦納米結構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、相分離及光學性質的研究奠定了堅實的理論及實驗基礎。動力學實驗進一步佐證了理論結果，隨著反應時間的變化，單根納米線歷經三個主要過程：首先，由發光一致的納米線逐漸變化為帶隙可調納米線；然后，納米線整體帶隙可調，但是其帶隙隨著反應時間增加而減小；最后，納米線被整體同化，轉化為發光一致的納米線，但整體發光波長較開始階段紅移。實現的納米線狀微腔具備規則的幾何結構、光滑的表面及寬帶可調諧特性，可同時作為增益介質及光學微腔，進而實現單根納米線寬帶可調諧激光輸出，實驗上成功獲得了480-525 nm的寬帶可調諧微納多色激光。
該項研究解析了鈣鈦礦納米結構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了寬帶可調諧激光輸出，為分析鈣鈦礦材料離子遷移與光電性能的聯系等提供了堅實的理論及實驗基礎，進一步推進了高品質寬帶可調諧微納多色納米激光器的研究進展。
相關工作得到了國家自然科學基金委、上海市青年拔尖等項目的支持。
圖為:微腔調制的寬帶可調諧微納多色激光
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