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顯微熒光壽命在納米激光器研究中的應(yīng)用
閱讀：453 發(fā)布時(shí)間：2019-1-24
▌顯微熒光壽命在有機(jī)發(fā)光材料研究中的應(yīng)用
對溶液自組裝形成的微盤狀鈣鈦礦 （Perovskite） 微型激光器的熒光壽命表征
熒光壽命 鈣鈦礦 微型激光 顯微光譜
【概述】2015 年，一篇發(fā)表于 Advanced Materials，題為“Perovskite Microdisk Microlasers Self-Assembled from Solution”的文章，報(bào)道了一種具有高品質(zhì)因子單晶正方微盤形貌的 CH3NH3PbBr3 材料（一種有機(jī)鈣鈦礦材料），為 on-chip 電泵浦相干光源的制造提供了優(yōu)異的候選材料。這篇文章由中科院化學(xué)所¹廖清教授及付紅兵教授課題組完成。
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| 圖1，鈣鈦礦方形微盤的形貌及制備過程 |
文章中作者采用了 SEM、XRD、吸收光譜、發(fā)射光譜、微區(qū) PL 光譜和熒光壽命等諸多手段對 新材料及發(fā)光特性 進(jìn)行了表征，證明了材料所具有的優(yōu)異性能。其中，微米尺度下的熒光衰減輪廓 （PL decay profiles） 測量為研究材料深層次的發(fā)光機(jī)理提供了重要的手段。
【樣品 & 測試】本文中的樣品為一種僅通過一步溶液自組裝 （one-step solution self-assembly）即可合成的單晶微盤狀 (Microdisk) CH3NH3PbBr3 材料。由于四個(gè)方形側(cè)表面的束縛，這種微盤在內(nèi)部形成了 Whispering-gallery Mode (WGM) 的微腔共振。經(jīng)測算，其品質(zhì)因子達(dá)到了約 430 的較高水平。
【樣品 & 測試】本文中的樣品為一種僅通過一步溶液自組裝 （one-step solution self-assembly）即可合成的單晶微盤狀 (Microdisk) CH3NH3PbBr3 材料。由于四個(gè)方形側(cè)表面的束縛，這種微盤在內(nèi)部形成了 Whispering-gallery Mode (WGM) 的微腔共振。經(jīng)測算，其品質(zhì)因子達(dá)到了約 430 的較高水平。
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| 圖2，不同功率下鈣鈦礦材料熒光壽命的衰減輪廓及其在不同摻雜下的單模激光輻射 |
針對一個(gè)典型的 2.0×2.0×0.6μm³ 方形微盤，作者觀測到了閾值為 3.6±0.5μJ/cm² 的 557.5nm 單模激光輻射（圖2右下）。通過將材料中的 Br 部分替換為 Cl 形成混合 CH3NH3PbClxBr3-x，還可以實(shí)現(xiàn) 525~557nm 范圍內(nèi)連續(xù)的激光輻射波長調(diào)節(jié)。
為深度研究這種微盤鈣鈦礦材料的發(fā)光機(jī)理，作用采用 時(shí)間分辨熒光光譜 (Time-resolved fluorescence spectroscopy) 技術(shù)測量了微盤激光器閾值上下不同功率的熒光衰減輪廓（圖2左上）。實(shí)驗(yàn)表明，在激發(fā)功率提高的情況下，更多價(jià)帶電子和導(dǎo)帶空穴的形成，加速了帶邊重組過程。重要的是，在高功率激發(fā)下，高階重組機(jī)制的有限貢獻(xiàn)避免了快速俄歇過程 (Auger process) 與逆布據(jù) (population inversion) 之間的競爭，有效降低了該鈣鈦礦材料的激光閾值。
為深度研究這種微盤鈣鈦礦材料的發(fā)光機(jī)理，作用采用 時(shí)間分辨熒光光譜 (Time-resolved fluorescence spectroscopy) 技術(shù)測量了微盤激光器閾值上下不同功率的熒光衰減輪廓（圖2左上）。實(shí)驗(yàn)表明，在激發(fā)功率提高的情況下，更多價(jià)帶電子和導(dǎo)帶空穴的形成，加速了帶邊重組過程。重要的是，在高功率激發(fā)下，高階重組機(jī)制的有限貢獻(xiàn)避免了快速俄歇過程 (Auger process) 與逆布據(jù) (population inversion) 之間的競爭，有效降低了該鈣鈦礦材料的激光閾值。
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| 圖3，采用復(fù)享 gora 共焦顯微系統(tǒng)和 PicoQuant TCSPC 模塊的共焦顯微熒光壽命系統(tǒng) |
相比于條紋相機(jī)，單光子計(jì)數(shù) (TCSPC) 是一個(gè)性價(jià)比更高的實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨熒光光譜的方案。結(jié)合成熟的光譜系統(tǒng)、共焦系統(tǒng)和皮秒激光器，輔以 TCSPC 電子設(shè)備，即可快速實(shí)現(xiàn) 10 皮秒量級的熒光壽命測量。圖3所示為一個(gè)典型的基于復(fù)享 gora 共焦顯微系統(tǒng)的 TCSPC 熒光壽命測量方案。
【總結(jié)】文章報(bào)道了一種通過單步溶液自組裝即可合成的具有 WGM 的鈣鈦礦微盤激光器。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論計(jì)算表明，由于四個(gè)方形側(cè)面約束，鈣鈦礦微盤構(gòu)成了具有高達(dá) 430 品質(zhì)因子的 WGM 共振腔。通過摻雜，這種鈣鈦礦微盤激光器可以輸出在 525~557nm 范圍內(nèi)可調(diào)的單模激光器。
實(shí)驗(yàn)中使用時(shí)間分辨熒光壽命技術(shù)分析了激光輻射的產(chǎn)生機(jī)理。復(fù)享光學(xué)的 gora 共焦顯微 TCSPC 系統(tǒng)可以為鈣鈦礦材料微納米激光器的表征提供低成本、率的解決方案。▌
實(shí)驗(yàn)中使用時(shí)間分辨熒光壽命技術(shù)分析了激光輻射的產(chǎn)生機(jī)理。復(fù)享光學(xué)的 gora 共焦顯微 TCSPC 系統(tǒng)可以為鈣鈦礦材料微納米激光器的表征提供低成本、率的解決方案。▌
【參考文獻(xiàn)】
? Liao Qing, et. al.,"Perovskite Microdisk Microlasers Self-Assembled from Solution", Advanced materials 27.22 (2015): 3405-3410. Link
? Michael Wahl,"Time-Correlated Single Photon Counting", Technical Note, PicoQuant, (2014). Link
【備注】
[1] 2015年該文章發(fā)表時(shí)，廖清教授與付紅兵教授的工作單位為中科院化學(xué)所。
? Liao Qing, et. al.,"Perovskite Microdisk Microlasers Self-Assembled from Solution", Advanced materials 27.22 (2015): 3405-3410. Link
? Michael Wahl,"Time-Correlated Single Photon Counting", Technical Note, PicoQuant, (2014). Link
【備注】
[1] 2015年該文章發(fā)表時(shí)，廖清教授與付紅兵教授的工作單位為中科院化學(xué)所。