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顯微熒光壽命在納米激光器研究中的應用
閱讀：780 發布時間：2019-1-24
▌顯微熒光壽命在有機發光材料研究中的應用
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，一篇發表于 Advanced Materials，題為“Perovskite Microdisk Microlasers Self-Assembled from Solution”的文章，報道了一種具有高品質因子單晶正方微盤形貌的 CH3NH3PbBr3 材料（一種有機鈣鈦礦材料），為 on-chip 電泵浦相干光源的制造提供了優異的候選材料。這篇文章由中科院化學所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、發射光譜、微區 PL 光譜和熒光壽命等諸多手段對 新材料及發光特性 進行了表征，證明了材料所具有的優異性能。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光機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。由于四個方形側表面的束縛，這種微盤在內部形成了 Whispering-gallery Mode (WGM) 的微腔共振。經測算，其品質因子達到了約 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。由于四個方形側表面的束縛，這種微盤在內部形成了 Whispering-gallery Mode (WGM) 的微腔共振。經測算，其品質因子達到了約 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，還可以實現 525~557nm 范圍內連續的激光輻射波長調節。
為深度研究這種微盤鈣鈦礦材料的發光機理，作用采用 時間分辨熒光光譜 (Time-resolved fluorescence spectroscopy) 技術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）。實驗表明，在激發功率提高的情況下，更多價帶電子和導帶空穴的形成，加速了帶邊重組過程。重要的是，在高功率激發下，高階重組機制的有限貢獻避免了快速俄歇過程 (Auger process) 與逆布據 (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光機理，作用采用 時間分辨熒光光譜 (Time-resolved fluorescence spectroscopy) 技術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）。實驗表明，在激發功率提高的情況下，更多價帶電子和導帶空穴的形成，加速了帶邊重組過程。重要的是，在高功率激發下，高階重組機制的有限貢獻避免了快速俄歇過程 (Auger process) 與逆布據 (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，采用復享 gora 共焦顯微系統和 PicoQuant TCSPC 模塊的共焦顯微熒光壽命系統 |
相比于條紋相機，單光子計數 (TCSPC) 是一個性價比更高的實現時間分辨熒光光譜的方案。結合成熟的光譜系統、共焦系統和皮秒激光器，輔以 TCSPC 電子設備，即可快速實現 10 皮秒量級的熒光壽命測量。圖3所示為一個典型的基于復享 gora 共焦顯微系統的 TCSPC 熒光壽命測量方案。
【總結】文章報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。實驗驗證和理論計算表明，由于四個方形側面約束，鈣鈦礦微盤構成了具有高達 430 品質因子的 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 范圍內可調的單模激光器。
實驗中使用時間分辨熒光壽命技術分析了激光輻射的產生機理。復享光學的 gora 共焦顯微 TCSPC 系統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。▌
實驗中使用時間分辨熒光壽命技術分析了激光輻射的產生機理。復享光學的 gora 共焦顯微 TCSPC 系統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】
? 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年該文章發表時，廖清教授與付紅兵教授的工作單位為中科院化學所。
? 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年該文章發表時，廖清教授與付紅兵教授的工作單位為中科院化學所。