[发明专利]一种具有光学增益特性的混合多阳离子钙钛矿材料薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有光学增益特性的混合多阳离子钙钛矿材料薄膜及其制备方法和应用，所述混合多阳离子钙钛矿材料薄膜的化学结构通式为[(A_0.87BxCy)PbX₃]_b[A’₂PbX₄]_c；A_0.87BxCy中，x+y＝0.13，0.87为A与A+B+C总质量的质量比，x为B与A+B+C总质量的质量比，y为C与A+B+C总质量的质量比；混合多阳离子钙钛矿材料薄膜的厚度为20nm～200nm；增益系数为800～3000cm^‑1；发光波长范围在510‑530nm；粗糙度为0.5nm‑5nm。本发明提高了钙钛矿材料的光学、热学稳定性和薄膜的增益特性。

技术领域

本发明属于钙钛矿材料领域，具体地，本发明涉及一种具有光学增益特性的混合多阳离子钙钛矿材料薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

金属卤化物钙钛矿作为一种新兴的半导体光电材料，具有大的吸收系数、低的缺陷态密度、高的荧光量子产率、可调谐发光带隙等优异的光电性能，因此在光电子器件领域具有广阔的应用前景。钙钛矿材料的化学通式可以表示为ABX₃，B离子和X离子可以构成正八面体结构，其中A为Cs⁺、CH₃NH₃⁺(MA)、HC(NH₂)⁺(FA) 等，B离子为Pb²⁺、Sn²⁺等阳离子，X离子为I^-、Br^-、Cl^-等阴离子。同时，A、B和 X的离子半径大小决定着钙钛矿晶体结构的稳定性，当晶格容忍因子为0.9-1时，钙钛矿结构对称性好，越趋向于稳定的立方钙钛矿晶体结构。因此钙钛矿材料的组分通过部分替代，可以形成多种稳定的结构。当离子被部分取代之后，从结构上看并没发生改变，但是不同元素离子半径和价态的差异往往会导致钙钛矿材料的宏观物理特性发生改变。正是由于钙钛矿晶体结构具有这样的灵活性，在合成过程中可自由调节形态，才可以实现其独特的发光性能。因此凭借其这一优异特性，钙钛矿材料在发光二极管和激光领域引起了研究者们的极大关注。

激光是腔内能提供反馈的增益介质受到激发后形成粒子数反转产生光辐射的过程。半导体受激辐射实现光学增益的过程是：一个光子入射到半导体材料发生电子跃迁，同时产生一个和自身相同的受激辐射光子。与传统的半导体材料相比，钙钛矿材料作为增益介质，其折射率相对较高，可与环境介质形成较大的反射对比；因而其本身又可以作为激光器的谐振腔，并为激光器尺寸突破传统的衍射极限提供了可能。当光入射到增益介质上时，其增益大小与发射光强随距离增大而呈现的指数增长趋势相关；光学损耗则表示光在半导体介质中传输时，发生的光子散射、非辐射复合和边缘散射等情况。因此，要实现激光的输出，必须满足增益大于损耗，即有正的净增益。根据增益损耗的情况建立净增益模型公式，如下所示：

其中I为输出强度，A是常数，g是净增益系数，Lg是泵浦条纹长度；通过各种条带长度的测量方法，结合上述公式拟合可以得到净增益系数g值。目前关于有机-无机杂化钙钛矿和全无机钙钛矿的放大自发辐射(ASE)性子的研究已经比较多，相比一步溶液旋涂法制备的多晶薄膜，在各类钙钛矿纳米晶薄膜中测得的增益系数较高。例如在MAPbBr₃纳米晶薄膜中测得的最高增益系数是520cm^-1，FAPbI₃纳米晶薄膜为604cm^-1，CsPbBr₃纳米晶薄膜为980cm^-1。然而，由于钙钛矿材料的吸收系数很高，据报道钙钛矿的理论光学增益可高达3200±830cm^-1，与单晶砷化镓 (GaAs)相当。另外，此增益被证明可以持续约200ps，阈值接近16μJ cm^-2。对净模态增益的研究，最终的目的是将其集成到光放大设备中，以实现光泵浦或者电泵浦激光器。