无机卤化物钙钛矿纳米线光子特性与集成器件研究

In the past few years, inorganic halide perovskites have become promising potential candidates for new type high performance integrated optoelectronic devices due to their excellent optical absorption and emission properties、low trap states and tunable band-gap. The fabrication of inorganic perovskite and their corresponding information devices have been investigated. However, the controllability synthesis of high quality inorganic perovskite nanowires and their photonic properties still challenging to build up integrated optoelectronic devices. In this project,high quality inorganic halide perovskite nanowires with tunable compositions would be synthesized by chemical vapor deposition. Based on this nanostructures, a systematically investigation of the photonic properties, including the optical waveguide、stimulated emission and the spatial-temporal resolved spectrum would be carried out. Especially the investigation focus on the composition dependent exciton-photon coupling strength via the exciton-photon coupling model to clarify the lasing mechanism of perovskite nanowires. Room temperature continues wave pumped laser and high performance photodetectors will be eventually constructed based on these in-organic nanowires. This proposal will increase the original ability and international influence power of china in the functional semiconductor materials and new type optoelectronic devices.

近几年，无机卤化物钙钛矿由于具有优异的光吸收和光发射性能、低缺陷态密度以及带隙可调等优势，成为构建新型高性能可集成光电子器件潜在的理想材料。虽然无机钙钛矿纳米结构的制备和信息器件研究已有报道，但高质量无机钙钛矿纳米线的可控制备及其光子学特性研究仍然是构建可集成光电器件的重要挑战。本项目将通过CVD方法可控生长高质量组分可调无机卤化物钙钛矿纳米线,并系统研究纳米线的光波导、受激发射以及时间-空间分辨光谱等光子学特性，尤其是利用激子-光子耦合模型探究不同组分纳米线的激子-光子耦合强度，阐明无机钙钛矿纳米线的受激发射机制，在此基础上构建基于无机钙钛矿纳米线的室温连续光泵浦激光器和高性能光探测器。本项目的开展，将为提高我国在半导体材料的制备和新型光电器件研究领域的原创能力和国际影响力做出贡献。

近年来，无机卤化物钙钛矿由于具有优异的光吸收和光发射性能、较好的稳定性以及带隙可调等优势，成为构建新型高性能可集成光电子器件潜在的理想材料。虽然无机钙钛矿微纳结构的制备及光子器件研究已有报道，但高质量无机钙钛矿纳米线的可控制备及高性能光子器件构建仍然是集成光电器件领域的重要挑战。因此，本项目通过 CVD 方法可控生长高质量组分可调的无机卤化物钙钛矿纳米结构，在此基础上利用空间-时间分辨探测平台，系统研究了所合成的钙钛矿微纳结构的光致发光、受激发射等基本光子学特性，阐明钙钛矿微纳结构的受激发射机制；并初步探索了钙钛矿极化激元激光到光子激光的动力学过程。项目执行期间，我们首先采用化学气相法合成了四面体状的CsPbBr3钙钛矿，所合成的CsPbBr3样品在470 nm 的激光激发下，实现了激光发射，线宽仅为0.3 nm。为了研究这种三维空间四面体结构的激光发射特性和反馈机制，我们利用有限元法进行了理论分析和数值模拟(Comsol Multiphysics)。结果表明，根据经典反射定律可以计算出具有三角形对称性的全封闭反馈路径。三维和二维远场发射模拟图像与实验结果一致，即该四体结构在激光泵浦的条件下，在自由空间形成了独特的具有三角对称的三束激光发射光现象。我们的工作系统地研究了钙钛矿四面体腔激光器的性能及其反馈机制，使其在光学操控和新型功能光子器件的应用方面具有巨大的潜力。其次，我们还基于单根CdS纳米线结合表面等离激元光栅透镜实现了片上轨道角动量模式的高效探测，并基于纳米线-等离激元光栅混合结构构建了轨道角动量维度调控的全光逻辑器件及加密图像信息的片上读取，这个工作是实现了片上OAM模式高效探测及输传输，为发展OAM维度片上全光信息处理，拓展OAM维度在硅基光电器件领域的应用，奠定了坚实的实验基础。