利用高导热金刚石实现钙钛矿纳米片激光器的有效热管理

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钙钛矿拥有优异的光电特性,比如长的载流子扩散长度、高的载流子迁移率等,是极具应用潜力的激光增益介质。但是,由于泵浦能量与出射激光能量的转化效率低以及钙钛矿材料导热性差(热导率<1 W/(m·K)),导致激光器件产生显著的升温。并且高的运转温度会降低钙钛矿材料内载流子复合效率、抬高激光阈值甚至诱导材料降解,这限制了钙钛矿激光器件的长期应用。这一因素在光泵浦钙钛矿激光以及未来迈向电泵浦钙钛矿激光的研究中亟待解决。因此,需要在激光器件结构设计中引入有效的热管理措施。利用高导热基底改善钙钛矿激光器件的散热是最主要的热管理方法。目前,蓝宝石、六方氮化硼以及硅均被运用于钙钛矿激光器中辅助散热。不过蓝宝石、六方氮化硼热导率在35 W/(m·K)以下。虽然硅的热导率(149 W/(m·K))更高,但会引发载流子猝灭。因此,本工作采用金刚石作为基底,它具有目前最高的热导率(2000 W/(m·K))且不会引发载流子猝灭。不过,金刚石与钙钛矿折射率相近,直接接触钙钛矿会导致钙钛矿内光场泄露,需要进一步在基底与钙钛矿之间插入一层SiO2层维持器件光限制能力。这两点为本工作钙钛矿激光器件的设计原则。器件中,钙钛矿材料为化学气相沉积(CVD)法制备的单晶甲胺铅碘钙钛矿纳米片。首先,纳米片具有大的宽高比利于热管理;其次,纳米片本身作为谐振腔免去了外腔设计;最后,单晶纳米片相对多晶来说具有更低的晶体缺陷。这种微型激光晶体的腔体质量高、易于制备,是面向激光阵列、光电集成等应用的优质材料。本文的研究内容包含以下两个方面:1、基于钙钛矿纳米片的激光器件结构的光学设计与传热分析。首先,构造钙钛矿-SiO2-金刚石三层结构,从器件的光限制能力出发选用一组不同SiO2层厚度的器件结构作为与云母片上的纳米片的对照组;然后,对选取的不同SiO2层厚度参数的器件结构进行传热分析。揭示在脉冲激光泵浦的情况下,更薄SiO2层厚度的器件散热效果更佳,但SiO2层的厚度还受到器件光限制能力的限制。2、利用CVD法制备钙钛矿纳米片,随后利用热释放胶带的转移-释放工艺将钙钛矿纳米片转移至覆有选定厚度SiO2层的金刚石基底上。接着进行飞秒激光激发表征。结果发现以金刚石为基底的器件,其激发光谱的位移程度明显小于云母片为基底的情形;其中,100 nm厚SiO2层的器件谱位移最低,为0.12 me V/(μJ/cm~2)。实现了基于纳米片激光器的有效热管理。
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