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霍成学、王子明、李晓明和曾海波来自南京理工大学材料科学与工程学院的工信部新型显示材料与器件重点实验室在2017年7月于《中国激光》(Chinese Journal of Lasers)发表了关于低维金属卤化物钙钛矿作为一种微腔激光材料的研究进展。

金属卤化物钙钛矿（metal halide perovskites）因其优异的光电性能，在太阳能电池和光电探测等领域有着广泛的应用。这些材料不仅具有很强的光吸收能力和超长的载流子寿命，还能够在可见光范围内实现全波段发光，并且其半峰全宽很窄，这使得它们在显示和激光领域也具有重要的应用前景。本文旨在总结近年来低维金属卤化物钙钛矿在激光领域的研究进展。

首先，文章详细介绍了金属卤化物钙钛矿的结构特点。这类材料通常具有ABX₃型结构，其中[BX₆]⁴⁻构成了一个八面体，位于由四个A⁺离子构成的立方体中心。B位元素通常是二价阳离子如Pb²⁺或Sn²⁺，而X位元素为卤素如Cl⁻、Br⁻、I⁻。通过调节卤素原子的种类与比例，可以实现可见光范围内的全波段发光。此外，容忍因子（tolerance factor）t接近于1时，才能形成稳定的钙钛矿结构。这一特性使得研究人员可以通过调控反应条件制备出不同维度、尺寸的钙钛矿纳米结构。

其次，文章讨论了激光产生的机理与结构。产生激光的关键要素包括增益介质、激光谐振腔和抽运源。增益介质最重要的作用是实现粒子数反转。当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收同时存在。要使受激辐射占优势，必须使处于高能级E₂的粒子数大于处于低能级E₁的粒子数，即称为粒子数反转分布。只有实现了粒子数反转才有可能实现受激辐射，发出激光。此外，产生激光还需要光学谐振腔，使得光束可以在谐振腔中不断反射，不断增益，最终可以形成同一频率、同一相位的稳定驻波。根据光反射路径的区别，光学谐振腔通常分为法布里-珀罗谐振腔（Fabry-Pérot resonant cavity）和回音壁谐振腔（whispering gallery resonant cavity）两种。

接着，文章探讨了一维钙钛矿材料在激光领域中的应用。Zhu等首先报道了基于有机-无机杂化钙钛矿CH₃NH₃PbX₃（X=Cl, Br, I）纳米线的激光。他们通过低温溶液法制备了高质量单晶CH₃NH₃PbX₃纳米线，长度约为20μm，横截面近似矩形，宽度在几百纳米左右。平滑的端面以及高结晶质量的纳米线可被用作理想的法布里-珀罗谐振腔。室温下，在402nm的脉冲激光照射下，CH₃NH₃PbI₃纳米线在777nm附近有较宽的发光峰，随着脉冲激光能量密度的提高，纳米线的发光逐渐从自发发射转变为受激发射，发光峰越来越尖锐。品质因子Q定义为Q=λ/δλ，计算出该激光的品质因子大约为3600，比低温（4K）下GaAs-AlGaAs核壳结构纳米线激光的高一个数量级。

随后，文章分析了二维钙钛矿材料在激光领域中的应用。不同于纳米线，二维纳米结构如纳米片、纳米盘等也可以作为激光增益材料。Zhang等首先报道了基于有机-无机杂化钙钛矿纳米片的回音壁模式激光，通过化学气相沉积的方法在云母衬底上制备出了CH₃NH₃PbI₃₋ₓAₓ（X=I, Br, Cl, A为X的原子数分数）纳米片。自然生长的纳米片呈现出规则的三角形或是六边形的形状，具有非常好的结晶性。纳米片的厚度在10~300nm，其横向尺寸在几十微米左右。受激发射得到的光通过在该结构平面内的反射较易获得增益，这就是回音壁模式的光学共振腔。当波长为400nm、强度为37μJ·cm⁻²的飞秒激光辐照纳米片时，CH₃NH₃PbI₃纳米片发射出了尖锐的激光，其品质因子可以达到1300。

最后，文章强调了全无机钙钛矿纳米线和纳米片在激光领域的应用。Eaton等通过液相低温溶液法成功制备出了CsPbBr₃及CsPbCl₃纳米线，并将其作为激光增益介质。这是全无机钙钛矿纳米线首次在激光领域应用的报道。虽然通过胶体合成的方法可以制备出直径很小的纳米线，但当纳米线的直径很小时，其折射率会很接近石英衬底的折射率，这时光将无法被限制在纳米线中，因此无法产生激光。因此，对于激光应用来说，直径较粗的纳米线更加合适。通过低温溶液法制得的纳米线的长度为2~40μm，而宽度在0.2~2.3μm，是理想的激光增益介质。在脉冲激光激发下，CsPbBr₃纳米线的激光阈值为5μJ·cm⁻²，最大品质因子大约为1009。

本文的意义在于总结了低维金属卤化物钙钛矿在激光领域的最新研究进展，揭示了这些材料在微纳激光器开发中的巨大潜力。这些研究成果不仅有助于推动钙钛矿材料在激光领域的进一步发展，也为未来的实际应用提供了理论支持和技术指导。