“2017中國光學十大進展”候選推薦
 

近幾年，鹵化鉛鈣鈦礦由于具有極高的吸收系數，引起了廣泛的關注。這一材料成為高性能、低成本太陽能電池的新寵。僅僅五年內，鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率就從3%提高到了22%以上。這一突破性的進展，驅使著研究人員將鹵化鉛鈣鈦礦應用于新的領域中，例如LED、光電探測器、激光器等。作為光源而言，在鈣鈦礦薄膜、多邊形微腔、微米和納米線中，這一材料已經展現出了激光和放大式自發輻射。更有趣的是，這種自發輻射的激光和光源十分穩定，并且顏色是可以調諧的。他們的外量子效率甚至可以達到100%。但綜合條件下，鈣鈦礦在光電器件方面的應用還并不成熟，對于基于鈣鈦礦這一材料的器件研究還有很長的一段路要走。

 

 

 

事實上，迄今為止，對于鹵化鉛鈣鈦礦這種材料還沒有一個有效且標準化的制備工藝。多數情況下，合成出的鈣鈦礦微米片或者微米線都有一個隨機的尺寸分布，在這樣的工藝下，很難重復性地制備出相同的微型激光器，使它們針對某些特定的應用具有預先設置的波長或者出射方向。同樣的問題也會束縛這一材料在太陽能電池和光電探測器中的應用，尤其是對于集成系統而言。綜上，針對鹵化鉛鈣鈦礦設備研究出一種成熟且標準化的半導體加工工藝就顯得至關重要，因為這是大規模制造和實際應用中最大的障礙。

 

 

為了克服這一障礙，哈工大（深圳）宋清海課題組研究了一種自上而下的半導體加工工藝，可以高效地重復制備基于有機金屬鹵化物鈣鈦礦材料的光電器件，該工作發表在  Advanced  Materials  [29(15) , 1606205 (2017) ] 上。研究團隊通過電子束光刻制備掩膜，然后通過感應耦合等離子體刻蝕，將掩膜圖案復制到單晶鈣鈦礦微米片上，一些通過直接合成很難制備出的結構，例如純圓微腔、變形腔、五角星、大衛星等結構，就可以通過這種制備方法得到。

 

隨后的光學表征證明了這種新型的制備技術同樣可以用于制備一些品質因子高的高質量光電器件，例如微腔激光器。通過測量證明，利用該技術制備的鈣鈦礦微盤激光器，其閾值處的半峰全寬（FWHM）低至0.11 nm，對應的品質因子高于5000以上。這一品質因子可以和目前記錄的直接合成的鈣鈦礦納米線最高品質因子相比擬。

 

為了證明這一制備技術的精確度，研究者制備了一批統一規格的微盤激光器，測量得到完全相同的激光波長和模式間隔，進一步確定了新型制備工藝的可重復性，精度可以控制在幾個納米以內。通過該工藝制備的器件，其一系列特殊的性能，例如單向激光出射和破記錄的最高品質因子相繼被成功地研制出。

 

此外，研究者利用這一制備技術，成功地將鈣鈦礦材料應用于生產光電探測器中。其設計原理是利用納米工程結構，將在自由空間傳輸的波轉化為波導模式，從而極大地提高了光電探測器的開關性能和探測靈敏度。這些性能的提高充分表明了該技術工藝在制備鹵化鉛鈣鈦礦光電探測設備方面的應用前景。