电驱动钙钛矿激光器-尊龙凯时手机版

电驱动钙钛矿激光器，是材料科学、学、电子工程学科交叉融合孕育出的前沿明珠。它承载着人们对下一代低成本、高性能、可集成光源的美好愿景。虽然前方仍有诸多科学与工程的难关需要攻克，但每一次实验室的突破，都让我们离这个光明的未来更近了一步。它不仅仅是一个激光器，更是一把可能开启下一次光电子产业革命的钥匙。

在深入探讨“电驱动钙钛矿激光器”这个略显复杂的术语之前，让我们先从一个家喻户晓的概念——激光（laser）——开始。

激光与普通光（如太阳光、灯光）不同，它拥有四大非凡特性：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。正因如此，激光成为了现代科技不可或缺的工具，广泛应用于工业切割、医疗美容、通信、传感、国防以及我们日常生活中的光盘读取、条形码扫描、激光笔等众多领域。

传统的激光器通常由三大核心部分构成：

1.  增益介质（gain medium）：一种能够通过受激辐射放大光信号的物质，是激光的“心脏”，如晶体、气体、半导体等。

2.  泵浦源（pump source）：为增益介质提供能量，使其达到“粒子数反转”状态（即处于高能级的粒子多于低能级），如电源、闪光灯或其他激光。

3.  光学谐振腔（optical cavity）：由两面镜子组成，光在其中来回反射，不断被放大，最终形成一束强大的激光输出。

目前，绝大多数激光器，尤其是我们在生活中直接接触到的，都是电驱动（electrical pumping）的。也就是说，我们简单地插上电源、按下开关，电流注入激光器，它就能发出激光。这非常方便且易于集成。

然而，在追求小型化、低成本、可溶液加工、波长可调的下一代激光器（特别是半导体激光器）的竞赛中，科学家们遇到了一个巨大的挑战。而一种名为“钙钛矿”的材料，正以其惊人的特性，成为解决这一挑战的超级明星。

认识明星材料 - 钙钛矿

“钙钛矿”这个名字最初来源于一种钙钛氧化物（catio₃）矿物。但在光电子领域，我们所说的钙钛矿（perovskite） 通常指的是一类具有与catio₃相同晶体结构的有机-无机杂化或全无机化合物，其通用化学式为abx₃。

a位：通常是有机阳离子（如甲铵离子ch₃nh₃⁺）或无机铯离子（cs⁺）。

b位：通常是二价金属阳离子，如铅离子（pb²⁺）或锡离子（sn²⁺）。

x位：通常是卤素阴离子，如碘离子（i⁻）、溴离子（br⁻）、氯离子（cl⁻）。

这种特殊的结构赋予了钙钛矿材料一系列令人瞩目的光学特性，使其成为激光增益介质的理想候选者：

1.  优异的光电性能：具有高的光致发光量子产率（plqy），意味着吸收光后，能高效地再发射出光，损耗极小。

2.  高增益系数：能够非常有效地放大光信号，很容易产生激光所需的受激辐射。

3.  可调谐的发射波长：通过简单地改变a、b、x位的元素组成（例如调整br和i的比例），可以像调色板一样，轻松地让钙钛矿发射出从深蓝色到近红外整个可见光谱范围的光。这是许多传统难以实现的。

4.  低缺陷密度与高容忍度：即使晶体中存在一些缺陷，对它的发光效率影响也不大，这降低了制备的难度。

5.  低成本与溶液加工性：钙钛矿材料可以通过旋涂、喷墨打印等低成本溶液法制备，非常适合大规模生产制造柔性、可穿戴的光电子器件。

基于这些优势，科学家们早在2014年就首次实现了光泵浦（optically pumped） 的钙钛矿激光器，即用另一束激光去激发钙钛矿，使其发出激光。这项成果轰动一时，证明了钙钛矿作为增益介质的巨大潜力。

圣杯般的挑战 - 为何要实现“电驱动”？

虽然光泵浦钙钛矿激光器证明了概念可行性，但它离实际应用还很遥远。因为这需要另一台复杂的激光器作为泵浦源，整个系统笨重、低效且昂贵。因此，整个领域的科学家都将 “实现电驱动钙钛矿激光器” 视为终极目标，甚至被称为钙钛矿激光器领域的“圣杯”（holy grail）。

为什么电驱动如此重要？

1.  集成性与便携性：电是世界上最普遍、最易得的能源形式。电驱动意味着钙钛矿激光器可以像led灯泡一样，直接接通电流就能工作，可以轻松地集成到现有的电子设备和芯片上。

2.  效率与实用性：省去了额外的光泵浦系统，能量转换路径更短，理论上整体效率更高，结构更紧凑，更适用于实际场景。

3.  市场与应用潜力：一旦实现，将打开一个巨大的应用宝库：

片上光互连（on-chip optical interconnect）：在计算机芯片内部，用超快、低能耗的激光代替铜线进行数据传输，速度可提升千倍，能耗大幅降低。

高分辨率激光显示：制造出红、绿、蓝三基色的电驱动激光器，实现更鲜艳、更节能的投影和。

化学与生物传感：特定波长的激光可用于检测环境中的微量物质或用于医疗诊断，电驱动使其成为便携式。

激光照明与通信（li-fi）：用于下一代可见光通信技术。

面临挑战

尽管前景诱人，但实现电驱动却异常艰难。主要挑战在于电流注入的过程与钙钛矿材料本身的特性存在矛盾：

1.  载流子扩散长度与器件厚度的矛盾：

电流注入时，正电荷（空穴）和负电荷（电子）需要在增益介质中相遇并结合（复合），才能发光。

钙钛矿中，虽然载流子扩散长度（电荷能移动的距离）相比其他溶液加工材料已很长（微米级），但要形成激光，需要很高的电流密度，这就要求器件有更厚的活性层来承受电流。

然而，器件太厚，电荷在到达彼此之前就损耗掉了；太薄，又无法承受高电流且光学模式不好控制。找到这个平衡点非常困难。

2.  非辐射复合与发热问题：

在高电流密度下，电荷更容易通过器件缺陷非辐射复合（即以发热的形式消耗能量，而不是发光），这会导致效率骤降（效率滚降）。

巨大的热量会直接破坏脆弱的钙钛矿晶体结构，导致器件迅速退化甚至烧毁。散热是巨大难题。

3.  光学损耗与模式控制：

用于注入电流的电极（通常是金属）会吸收光，造成巨大的光学损耗，抑制激光的产生。

如何设计谐振腔结构，在有效注入电流的同时，又能保证光场被良好地限制在增益介质中并低损耗地振荡，是器件物理设计的核心挑战。

简单来说，就是在高电流下，如何让电荷“快准稳”地相遇发光，同时避免它们“打架”（非辐射复合）和“中暑”（发热），还要给光造一个“高质量的回音壁”（谐振腔）。

突破之路

面对这些挑战，全球的研究团队从材料工程和器件物理两个角度双管齐下，寻求突破。

1. 材料工程：打造更“强壮”的钙钛矿

组分优化：尝试不同的a、b、x位组合，寻找更稳定、缺陷更少、载流子迁移率更高的配方。例如，使用全无机钙钛矿（如cspbbr₃）来提高热稳定性。

维度工程：制备低维钙钛矿，如量子点（0d）、纳米线（1d）、量子阱（2d）。这些材料由于量子限域效应，发光效率更高，并且其天然的量子阱结构类似于传统的半导体激光器，有利于电荷约束，降低激光阈值。

缺陷钝化：在钙钛矿中添加一些有机或无机分子，来“修补”晶体表面的缺陷，减少非辐射复合的陷阱，从而提高发光效率和对高电流的耐受能力。

电驱动钙钛矿激光器

2. 器件物理：设计更“聪明”的结构

谐振腔创新：不再局限于简单的平板结构，设计分布反馈式（dfb）、分布式布拉格反射镜（dbr）、微盘（microdisk）等新型谐振腔，以更有效地限制光子和降低阈值。

电荷传输层优化：精心挑选和设计电子传输层（etl）和空穴传输层（htl），使电荷能平衡、高效地注入到钙钛矿活性层中，避免某一类电荷拥堵造成效率损失。

界面工程：改善各层材料之间的界面接触，减少注入势垒和界面复合，这也是降低阈值和减缓滚降的关键。

新型电极与散热设计：使用透明导电电极（如ito）或超薄金属电极来减少光学吸收，并探索有效的散热方案。

经过近十年的努力，研究终于迎来了。2022年，来自中国、美国、韩国等多个顶尖研究团队几乎同时宣布，他们在低温（如液氮温度）下首次观测到了电驱动钙钛矿激光的明确证据！ 虽然这些初步成果还需要低温环境，但这无疑是零的突破，证明了电驱动在物理原理上是完全可行的，为最终实现室温连续激射奠定了坚实的基础。

该激光器采用了创新的"双腔"结构设计，将两种关键子单元垂直集成于同一器件中：一个是低阈值单晶钙钛矿微腔子单元，另一个是高功率微腔钙钛矿led(peled)子单元。这种集成架构使得器件能在脉冲电激发下，以最低92 a cm⁻²的电流阈值产生激光，这一数值比当前最先进的电驱动有机激光器低整整一个数量级。

核心突破在于其高达82.7%的光子耦合效率——peled子单元产生的定向发射能量被高效注入单晶钙钛矿微腔，从而触发激光作用。研究团队表示："尽管集成式电驱动的原理本身并不复杂，但在器件制备过程中我们克服了诸多技术挑战。"

在约22°c的空气环境中，该器件表现出显著优势：

平均激光阈值为129 a cm⁻²

工作寿命达到1.8小时（10hz条件下约6.4×10⁴次电压脉冲）

可实现36.2mhz带宽的快速调制

这些特性远超现有电泵浦有机激光器的性能水平。

这项技术将为多个领域带来革新：

光电集成：为集成光子芯片提供理想的相干光源

数据通信：36.2mhz的调制能力使其适用于片上数据传输

生物医学：可应用于精密医疗设备和诊断系统

可穿戴设备：得益于钙钛矿材料轻量化、可溶液加工的特性