近期，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所秦川江課題組、日本九州大學(xué)安達(dá)千波矢研究室合作，開發(fā)出一種基于新型低成本半導(dǎo)體材料鈣鈦礦的激光器，突破了其以往僅能在低溫下連續(xù)穩(wěn)定工作的瓶頸，實(shí)現(xiàn)室溫可連續(xù)激光輸出的鈣鈦礦激光器。
激光器是將輸入的光或電能量轉(zhuǎn)換成光的器件，由于發(fā)光高度均勻，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、信息、科研等領(lǐng)域。鈣鈦礦半導(dǎo)體材料具有可低成本溶液加工、發(fā)光波長(zhǎng)可調(diào)、發(fā)射光譜穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，作為工作物質(zhì)在激光方面具有廣闊應(yīng)用前景。然而，室溫下連續(xù)激發(fā)工作數(shù)分鐘后鈣鈦礦激光將會(huì)消失，且原因未明，限制了進(jìn)一步發(fā)展。
在有機(jī)半導(dǎo)體器件中，正負(fù)電荷結(jié)合后，可先形成激子再釋放能量，其激子行為與特性已得到廣泛深入研究。激子通常分為單重態(tài)激子和三重態(tài)激子，其中，三重態(tài)激子直接發(fā)光效率低。已有研究證實(shí)，阻礙有機(jī)半導(dǎo)體連續(xù)激光的因素主要是其固有的三重態(tài)激子特性。但關(guān)于準(zhǔn)二維鈣鈦礦激光器，人們還沒有認(rèn)識(shí)到三重態(tài)激子在其中的影響。
準(zhǔn)二維鈣鈦礦是一類將相同重復(fù)單元的無機(jī)骨架夾在有機(jī)層之間的材料。近期，科研人員發(fā)現(xiàn)這種材料中的三重態(tài)激子壽命可長(zhǎng)達(dá)1微秒，進(jìn)而猜測(cè)其可能是導(dǎo)致激光消失的原因；三重態(tài)激子雖然不發(fā)光，但能與發(fā)光的單重態(tài)激子相互作用，導(dǎo)致它們均以不發(fā)光的形式失去能量。因此，如果鈣鈦礦中存在長(zhǎng)壽命三重態(tài)激子，可能需要將其除去，以免干擾激光。
基于以上考慮，該研究在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中引入具有較低三重態(tài)能級(jí)的有機(jī)層，使鈣鈦礦中產(chǎn)生的長(zhǎng)壽命激子可自發(fā)轉(zhuǎn)移至有機(jī)層，從而減少單重態(tài)激子能量損失，實(shí)現(xiàn)光激發(fā)下連續(xù)的激光產(chǎn)生。將鈣鈦礦激光器置于空氣中，使三重態(tài)激子被氧氣淬滅，也可實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光，進(jìn)一步證明三重態(tài)激子是造成激光消失的原因之一。此外，激光器在相對(duì)濕度為55%的空氣中連續(xù)工作1小時(shí)后，激光強(qiáng)度基本沒有變化，發(fā)射光譜也沒有移動(dòng)。
該研究證實(shí)了三重態(tài)激子在鈣鈦礦激光工作過程中的關(guān)鍵作用，以及調(diào)控三重態(tài)激子對(duì)實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光的重要性，有助于開發(fā)低成本、可溶液加工和超小型化的電致鈣鈦礦激光器件，應(yīng)用于光通信、光信息處理、光存儲(chǔ)以及通過大規(guī)模集成電路平面工藝組成的光電子系統(tǒng)。
相關(guān)成果發(fā)表在《自然》上，研究員秦川江是論文的第一作者、第一通訊聯(lián)系人，長(zhǎng)春應(yīng)化所為第一完成單位。研究得到中科院、長(zhǎng)春應(yīng)化所的支持。
溶液旋涂制備低成本鈣鈦礦半導(dǎo)體激光器過程及工作示意圖
工作條件下的室溫連續(xù)激發(fā)準(zhǔn)二維鈣鈦礦激光器（藍(lán)色為光泵浦源488nm固體激光器光路，綠色為鈣鈦礦激光器及激光）
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