上海光机所在低阈值紫蓝光钙钛矿激光研究中取得进展

近日，中科院上海光机所超强激光科学与技术全国重点实验室联合国科大杭州高等研究院、上海科技大学研究团队，在宽禁带卤化物钙钛矿增益介质与高性能紫蓝光激光领域取得突破。研究提出动态分子构象异构驱动卤离子交换全新制备路线，攻克长期制约紫蓝光钙钛矿激光器的结晶不均、高缺陷、相分离、阈值高、稳定性差等痛点，实现了目前国际最优的423 nm紫蓝光卤化物钙钛矿激光性能输出，相关成果以“Molecule Isomerization Driven Halide Exchange of Perovskite Enabling Ultra Stable and Low-Threshold Violet-Blue Lasing”为题发表于刊ACS Nano。

反应机理示意图

紫蓝光激光器在全彩激光显示、精密光学探测、量子集成光子、超高密度光存储等领域具有重要的应用价值。传统溴氯混合卤化物钙钛矿制备存在先天短板：氯盐前驱体溶解度低、结晶过程剧烈不可控，薄膜缺陷密度高、卤离子极易分相，直接导致激光阈值居高不下、器件工作寿命极短，成为限制钙钛矿光电器件实用化的核心瓶颈。现有液相离子交换、气相氯化改性等技术均无法兼顾晶体完整性、卤元素均匀分布与低缺陷本征特性，严重束缚短波长激光光源进程。

面向新型宽禁带激光增益介质自主可控的发展目标，研究人员跳出传统离子扩散交换思路，创新以亚硫酰氯（SOCl2）为氯源，构建温和、动力学可控的分子异构卤交换体系，开辟高质量氯掺杂钙钛矿薄膜与微晶的无损制备新范式。通过多维度联合表征分析，团队完整阐明分子异构驱动卤交换微观机理：SOCl₂分子自发吸附于钙钛矿表面，通过连续旋转、平移构象异构分步完成Br-与Cl-有序置换，全程放热、无需外部能量输入；反应结束后硫系中间体经退火完全挥发，薄膜无任何杂质残留，彻底规避传统工艺的晶粒溶解、二次再结晶、卤分相等致命问题。

依托高质量无分相宽禁带钙钛矿增益介质，紫蓝光薄膜放大自发辐射（ASE）阈值低至1.4 μJ·cm-2，光学增益高达1230 cm-1，随机激光阈值低至2.6 μJ·cm-2，同时在无封装和25倍阈值高强度泵浦下，ASE输出T95寿命高达7×107个脉冲，持续工作19.5小时；常温空气存储60天，器件仍保留84%激射强度，即便在140倍超高泵浦强度下，仍具备3.6小时稳定工作能力，大幅超越现有紫蓝光钙钛矿激光器件性能。进一步验证本次发展的分子异构卤交换策略具备极强通用性与工程适配性，开发了钙钛矿微立方单晶，实现法布里-珀罗单模紫蓝光激光，线宽仅0.36 nm，激光阈值低至6.5 μJ·cm-2。

相关链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c11529