[发明专利]一种二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器

说明书

本发明属于纳米激光技术领域，公开了一种二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器，包括二维钙钛矿薄膜，所述二维钙钛矿薄膜上以三角形的畴壁为界，内部和外部分别设置有第一能谷光子晶体和第二能谷光子晶体形成激光腔，所述第一能谷光子晶体包括多个第一六边形空气孔，所述第二能谷光子晶体包括多个第二六边形空气孔，所述第一六边形空气孔和第二六边形空气孔的中心呈三角晶格状排列，且第一六边形空气孔和第二六边形空气孔的方向相反，使第一能谷光子晶体和第二能谷光子晶体拓扑性质相反。本发明不仅具有高Q值，而且对缺陷或杂质具有鲁棒性。

技术领域

本发明属于纳米激光技术领域，具体涉及一种“缺陷免疫”的二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器。

背景技术

近年来，钙钛矿材料已成为发光器件领域极具竞争力的材料。三维钙钛矿材料的环境稳定性较差，在紫外照射、高温和水环境中易分解，进而导致发光器件的性能大幅度降低。在钙钛矿组成成分中引入大型疏水型有机阳离子，可形成具有优良的环境稳定性的二维钙钛矿。相较于三维钙钛矿，新型二维钙钛矿的优势包括可溶液法制备、优异的成膜性、优异的光稳定性、超低的自掺杂行为、低缺陷密度和显著降低的离子迁移效应等突出的光学性能。二维钙钛矿除了通过调节层数可调控发光波长，还可以通过调节组分实现对发光波长更大范围的调控。

光子晶体是一种具有光子带隙特征的人工微纳结构。根据光子晶体空间结构分布的周期性和带隙特性，可将其分为一维光子晶体、二维光子晶体、三维光子晶体。相较于一维光子晶体，二维光子晶体可调控的物理量更为丰富，同时可以使用目前成熟的半导体微纳加工技术加工；相较于复杂的三维光子晶体，二维光子晶体器件实验制备相对简单。将二维光子晶体结构引入半导体激光器，其折射率在平面内的两个不同方向上周期排列，与该平面垂直的方向则是均匀的。利用二维光子晶体的禁带效应、光局域特性，可以从平面两个方向对光进行限制，有助于构建高品质因子(Q)的谐振腔。

钙钛矿光子晶体激光器展现出了Q值高、模式体积小、阈值低等优势。2017年，德国伍珀塔尔大学Pourdavoud等（参见Pourdavoud N, Wang S, Mayer A, et al. Photonicnanostructures patterned by thermal nanoimprint directly into organo-metalhalide perovskites. Advanced Materials, 2017, 29(12): 1605003.）利用热纳米压印技术在MAPbI₃钙钛矿薄膜上加工出周期为450 nm，厚度为230 nm的空气柱，形成二维光子晶体激光腔，通过光子带隙模式实现了脉冲能量密度为3.8 µJ/cm^-2的低阈值激光。2019年，Diguna等（参见Diguna L J, Hardhienata H, Birowosuto M D. Design of perovskitephotonic crystals for emission control. Journal of Physics: ConferenceSeries, 2019, 1170(1): 012003）基于MAPbI₃钙钛矿材料研究了二维光子晶体激光器的发射控制，该激光腔中光子晶体晶格常数为360 nm，空气孔半径为108 nm，平均厚度为198nm。该结构在779 nm波长模式下，Purcell因子可达到199.6，Q值为1560。

目前钙钛矿光子晶体激光器的结构尺度为微米或纳米尺度，激光腔在加工过程中的缺陷、杂质等会大大影响激光器的光学性能。因此，需要对光子晶体激光器的结构进行改进，提高其抗缺陷能力。

发明内容

本发明克服现有技术中光子晶体激光器存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种高Q值、对缺陷或杂质免疫的二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器。