CsPbBr3微米片的制备与光学性质研究

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近年来,以金属卤化物钙钛矿为代表的钙钛矿结构材料因其优异的光学增益、高的光吸收系数、长的载流子扩散长度,在太阳能电池、发光二极管(LED)、激光、光电探测器等光电器件领域显示出极大的应用前景。然而,当前金属卤化物钙钛矿研究还面临材料稳定性较差、湿热条件下易降解及光物理研究还不深入、发光机理不明确等问题。因此,高质量金属卤化物钙钛矿微纳结构的制备与光物理特性研究对加速其器件的商业化应用具有重要意义。本文中,我们采用范德华外延的方法制备出了高质量的纯无机卤化物钙钛矿单晶微米片和纳米线等,并利用荧光/激光光谱学方法系统研究了发光机理。主要内容包括:1、纯无机卤化物钙钛矿CsPbBr3单晶结构的生长与调控。通过范德华外延生长了湿热条件下较稳定的CsPbBr3单晶,并改变生长条件(反应压强、反应温度、不同衬底)实现了对单晶形貌、尺寸、分布密度的调控。2、探究了室温下云母衬底上CsPbBr3微米片荧光谱双峰的起源。功率依赖的荧光光谱显示荧光双峰的峰位不变,幂次定则表明双峰均与自由激子发光有关,排除了束缚激子发光的可能。温度依赖的荧光光谱下拟合的双峰激子结合能均在41 me V,进一步表明双峰的起源相同。同时,当测量温度从78 K上升到294 K,高能峰和低能峰分别出现蓝移和红移,表明高能峰来自微米片上表面荧光,低能峰则由经衬底多级反射到边缘漏出的荧光产生。随温度升高,晶格热膨胀使带隙增加,导致了高能峰的蓝移;而光子传播损耗会随温度升高而增大,导致了低能峰的红移。此外,通过改变不同折射率的衬底和空间分辨荧光测试的方法,低能峰被明显压制,进一步证实了上述结论。3、将傅里叶成像系统与激光系统结合,采用角分辨激光光谱探究了室温下CsPbBr3微米片的激光模式。关于CsPbBr3微米片中激光模式的起源来自于微米片平面内法布里-珀罗(F-P)模式振荡或是耳语回廊模(WGM)振荡,至今仍存在争议。通过角分辨激光光谱,能够辨别出这两种不同的激光模式。同时,在一些边缘尺寸(L)大于13μm的微米片中,观察到平面内F-P模式激光转变为WGM激光的现象。当降低L或增加激发功率密度时,F-P模式激光被抑制;在高激发功率密度下,WGM激光在所有微米片中占主导地位。此外,还辨别了微米片面内F-P腔模的奇偶性和阶数。这些结果既加深了对平面微腔中激光模式的理解,为表征半导体微腔模开辟了新的途径,又澄清了钙钛矿微米片的激光模式起源,为半导体平面微腔在激光开关、光子芯片和偏振器件的应用提供了指导。
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