近期，中國科學院長春應(yīng)用化學研究所秦川江課題組、日本九州大學安達千波矢研究室合作，開發(fā)出一種基于新型低成本半導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。鈣鈦礦半導體材料具有可低成本溶液加工、發(fā)光波長可調(diào)、發(fā)射光譜穩(wěn)定等優(yōu)點，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消失，且原因未明，限制了進一步發(fā)展。

在有機半導體器件中，正負電荷結(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，阻礙有機半導體連續(xù)激光的因素主要是其固有的三重態(tài)激子特性。但關(guān)于準二維鈣鈦礦激光器，人們還沒有認識到三重態(tài)激子在其中的影響。

準二維鈣鈦礦是一類將相同重復單元的無機骨架夾在有機層之間的材料。近期，科研人員發(fā)現(xiàn)這種材料中的三重態(tài)激子壽命可長達1微秒，進而猜測其可能是導致激光消失的原因；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，該研究在準二維鈣鈦礦中引入具有較低三重態(tài)能級的有機層，使鈣鈦礦中產(chǎn)生的長壽命激子可自發(fā)轉(zhuǎn)移至有機層，從而減少單重態(tài)激子能量損失，實現(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，也可實現(xiàn)連續(xù)激光，進一步證明三重態(tài)激子是造成激光消失的原因之一。此外，激光器在相對濕度為55%的空氣中連續(xù)工作1小時后，激光強度基本沒有變化，發(fā)射光譜也沒有移動。

該研究證實了三重態(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)激子對實現(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，長春應(yīng)化所為第一完成單位。研究得到中科院、長春應(yīng)化所的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2621-1

溶液旋涂制備低成本鈣鈦礦半導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)準二維鈣鈦礦激光器（藍色為光泵浦源488nm固體激光器光路，綠色為鈣鈦礦激光器及激光）