[论文解读] Room-temperature continuous-wave operation of organometal halide perovskite lasers

Zhitong Li, Jiyoung Moon+6 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2018

Perovskite Materials and Applications参考文献 32被引用 3

一句话总结

本研究通过在室温、常压空气中连续光泵浦，实现了在硅基底上基于甲基铵铅碘化物（MAPbI₃）钙钛矿的连续波激光输出。该成果得益于热纳米压印光刻技术实现的超低阈值（13 W/cm²），该技术构建了高品质因子谐振腔，具有强模式限制和增强的发光特性。

ABSTRACT

Solution-processed organic-inorganic lead halide perovskites have recently emerged as promising gain media for tunable semiconductor lasers, and have come to rival inorganic III-V group semiconductors as the material candidate for chip-scale lasers. Although electrically pumped lasing at room temperature is the ultimate goal, optically pumped continuous-wave lasing at room temperature,a prerequisite for a laser diode,has not been achieved so far. Here, we report lasing action in a surface emitting distributed feedback methylammonium lead iodide (MAPbI3) perovskite laser on silicon substrate, at room temperature under continuous-wave optical pumping, in ambient air environment. This outstanding performance is achieved by the ultra-low lasing threshold of 13 W/cm2, which is enabled by the thermal nanoimprint lithography that directly patterns perovskite into a high Q cavity with large mode confinement, while at the same time improves perovskite emission characteristics. Our results represent a major step toward the realization of perovskite laser diodes, which is essential in the future insertion of perovskite lasers into photonic integrated circuits, for applications in optical computing, sensing and on-chip quantum information.

研究动机与目标

• 在室温、常压条件下实现有机金属卤化物钙钛矿的连续波激光输出。
• 克服高激光阈值问题，该问题一直阻碍钙钛矿激光器的实际应用。
• 实现钙钛矿激光器与光子集成电路的集成，用于光计算和量子信息系统。
• 展示一种可扩展的制造方法，同时提升钙钛矿激光器的光学质量与模式限制性能。

提出的方法

• 采用热纳米压印光刻技术，将钙钛矿材料直接图案化为硅基底上的分布反馈结构。
• 所制备器件具有高品质因子（Q）谐振腔，实现强空间模式限制，降低激光阈值泵浦功率。
• 在室温、常压空气中施加连续光泵浦，以评估激光性能。
• 钙钛矿材料为甲基铵铅碘化物（MAPbI₃），通过溶液法处理并直接沉积在图案化基底上。
• 通过在不同泵浦强度下测量发射光谱，识别阈值行为，表征激光特性。
• 优化器件几何结构，以增强光学反馈与发射效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 钙钛矿激光器能否在室温、常压空气中实现连续波工作？
• RQ2 在基于钙钛矿的分布反馈结构中，实现激光所需的最小泵浦强度是多少？
• RQ3 纳米压印光刻技术如何提升钙钛矿激光器的光学质量与模式限制性能？
• RQ4 溶液法加工的钙钛矿能否在无需低温冷却或封装的情况下实现连续波激光？

主要发现

• 钙钛矿激光器在室温、常压空气中实现了连续波激光输出，激光阈值泵浦强度仅为13 W/cm²。
• 激光发射波长约为770 nm，光谱线宽窄，表明光谱纯度高。
• 通过热纳米压印光刻技术制备的高品质因子谐振腔显著增强了模式限制并降低了激光阈值。
• 器件在连续光泵浦下长时间运行表现出稳定的激光输出，证实其可靠性。
• 将钙钛矿直接集成到硅基底上，实现了与现有光子集成电路平台的兼容性。