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日前，太原理工大學光電工程學院納米光電子器件崔艷霞教授、李國輝副教授團隊和隆德大學Kaibo Zheng教授&Tonu Pullerits院士合作在二維鈣鈦礦激光領域取得重要研究進展，研究以“Localized bound multiexcitons in engineered quasi-2D Perovskites grains at room temperature for efficient lasers”為題發表在國際頂級學術期刊《Advanced Materials》(影響因子32.086)。該論文的第一署名單位為太原理工大學，李國輝為論文第一作者，崔艷霞、Kaibo Zheng、Tonu Pullerits為論文共同通訊作者。

圖1.論文頁面截圖

鈣鈦礦由于具有高光學增益、平衡的載流子遷移率以及可溶液加工等特性，成為一種具有前景光明的激光增益半導體材料。目前，基于鈣鈦礦材料已成功研制出具有高相干性和可調諧的薄膜、納米晶和極化激元等多種類型激光。然而，三維(3D)鈣鈦礦中占主導的自由電子和空穴的雙分子復合發光過程在低載流子濃度下效率較低，并且受陷阱輔助非輻射復合的高度調制，使得布居反轉所需的載流子濃度大大提高，從而限制鈣鈦礦激光器的能量效率。

圖2.準二維鈣鈦礦PEA2(CH3NH3)n-1PbnBr3n+1中束縛多極子的形成機制及材料特性

圖3.準二維鈣鈦礦PEA2(CH3NH3)n-1PbnBr3n+1薄膜中的多激子光譜學特性

圖4.準二維鈣鈦礦PEA2(CH3NH3)n-1PbnBr3n+1薄膜中的多激子受激輻射光譜及輸入輸出特性

降低激發閾值并最小化焦耳熱對于鈣鈦礦激光二極管的實現至關重要。盡管束縛激子有望用于低閾值激光，但在基于準二維鈣鈦礦的器件中，如何在室溫下為激光應用生成束縛激子仍不清楚。鑒于此，研究團隊提出開展室溫下準二維鈣鈦礦晶粒的精密設計從而局域束縛多激子用于高效激光，并在實驗通過反溶劑法制備精確設計的準二維鈣鈦礦PEA2(CH3NH3)n-1PbnBr3n+1微觀晶粒，成功地展示了在0.97μJ cm-2的極低泵浦能量密度下的室溫多激子輻射復合，這只是經典二維材料2D CdSe納米片所需的四分之一。此外，準二維鈣鈦礦晶粒中定義明確的平移動量可以限制不利于輻射復合的俄歇復合。此外，準二維鈣鈦礦晶粒有利于增加激子和雙激子的結合能以及相關的輻射復合。因此，制備的<n = 8>相準二維鈣鈦礦薄膜使室溫受激發射的閾值低至13.7μJ cm-2，相對于具有較大晶粒的無定形態對應物降低了58.6%。這項工作的發現有望促進可溶液加工的鈣鈦礦多激子激光二極管的開發。

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太原理工大學在二維鈣鈦礦激光領域取得重要研究進展