【摘 要】
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钙钛矿作为一类可溶液法制备的新型半导体材料,为实现低成本激光器提供了可能。金属卤化物钙钛矿材料具有荧光量子效率高、光吸收系数高、载流子扩散长度长等特点,因而在光电器件领域备受关注。而二维钙钛矿材料不仅相对三维钙钛矿具有更高的环境稳定性,也兼具钙钛矿材料本身的一系列特点,在光电子器件领域受到广泛关注。由于量子限域效应,二维钙钛矿有着较高的激子结合能和相应的较强发光能力。但是在高电流密度下,聚集的配体
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目（61922060,61775156,61805172,61905173）； 山西省重点研发国际合作项目（201803D421044）； 山西省自然科学基金面上青年基金（201901D211115）； 霍英东教育基金会高等院校青年教师基金；
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钙钛矿作为一类可溶液法制备的新型半导体材料,为实现低成本激光器提供了可能。金属卤化物钙钛矿材料具有荧光量子效率高、光吸收系数高、载流子扩散长度长等特点,因而在光电器件领域备受关注。而二维钙钛矿材料不仅相对三维钙钛矿具有更高的环境稳定性,也兼具钙钛矿材料本身的一系列特点,在光电子器件领域受到广泛关注。由于量子限域效应,二维钙钛矿有着较高的激子结合能和相应的较强发光能力。但是在高电流密度下,聚集的配体产生强烈的内部焦耳热和俄歇复合,导致其发光二极管器件工作时间短,且没有实现电泵浦激光。准二维钙钛矿具有特殊的自组装多量子阱结构,影响了内部能量流动和辐射复合机制,通过调控量子阱的分布可以进一步提升发光性能。以此为基础,充分研究准二维钙钛矿薄膜的制备工艺,包括调整原料比例,成功减低了准二维钙钛矿自发放大辐射阈值,并设计对应的分布式反馈激光器。本文主要研究内容包括以下两个方面:1、使用一步旋涂法制备准二维钙钛矿薄膜,通过调整制备工艺,在准二维钙钛矿的前驱体浓度、反溶剂甲苯的滴加时间等方面进行优化,得到了粗糙度约为3 nm的平整薄膜。之后调整原料比例,以PEABr:FABr:Pb Br2为2:7.96:7.96的摩尔配比,在准二维钙钛矿薄膜中加入了部分n值为3到5的量子阱。得益于形成了更好不同n值量子阱的梯度分布,充分利用了能量漏斗结构这一特性,降低了放大自发辐射时自身缺陷带来的损耗,得到了约16μJ/cm~2自发放大辐射阈值,较该材料已报道的31μJ/cm~2低了将近一倍。此外,通过光致发光时间分辨测试,发现薄膜以更高效率的激子辐射复合为主,使得发光性能进一步提升。2、设计了与制备的准二维钙钛矿薄膜对应的分布式反馈谐振腔。根据分布式反馈谐振腔内的布拉格光栅的特性,初步设计了布拉格光栅的参数。通过数值仿真,确认了这些参数在理论上的可行性。再根据实际制备条件,进一步优化了占空比与刻蚀深度。通过适当降低了增益部分的占空比,在增益介质占空比为53%处,得到了光栅格子宽为134 nm和高度为80 nm的光栅结构,使之达到了符合实际制备工艺的水平,为后面制备准二维钙钛矿分布式反馈激光器提供了理论基础。
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