一种基于光子晶体微腔结构的钙钛矿量子点激光器及其制备方法

本发明属于光子晶体和量子点激光器领域，涉及一种基于光子晶体微腔结构的钙钛矿量子点激光器及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，随着激光科学技术的不断进步与光电子器件生产应用要求的提高，激光器越来越趋向于小型化和集成化，从而促进了微纳激光器的发展。微纳激光器在高密度信息存储、超灵敏传感器、光学集成应用等领域有着广泛的应用前景。传统微纳激光器所用的gaas、zno、gan等发光材料的激子结合能小、制备技术复杂、载流子传输性能较差、发光可调范围较窄。钙钛矿量子点作为一种新型光电纳米材料，是一种具有直接带隙的半导体。因其具有高纯度单色光致发光、宽可调发射波长、高光致发光量子产率，且可低成本溶液加工等优点，可以广泛应用在太阳能电池、发光二极管、激光器、光电探测器等领域中。光子晶体(photoniccrystals)是一类由介质周期性排列构成的人工微纳结构，具有光子带隙和光子局域等光学特征。基于光子禁带原理在光子晶体结构中引入缺陷，由于缺陷对光子的局域作用，位于缺陷范围内的光子密度较高，自发辐射会受到增强。根据腔量子电动力学理论可知，增益介质与谐振腔模式耦合的辐射由于purcell效应将会被增加q/v倍(q为谐振腔的品质因子，v为模式体积)，从而可以降低激光阈值。将钙钛矿材料与光子晶体微腔相结合，在低阈值激光方面已经有许多进展。

2、二维光子晶体微腔在平面上利用光子带隙及垂直方向的全反射对光进行约束，在缺陷区域利用光局域效应将光限制在缺陷位置，具有很好的光束缚作用。专利文献(授权专利号cn112421362a)提出了一种将tio2二维光子晶体微腔与卤化铅钙钛矿片增益介质相结合的高能效钙钛矿光子晶体激光器，光子晶体谐振腔的模式体积为6.47×10-14cm3，谐振波长为777.2nm，q大于5000。但是此激光器结构复杂且与现代cmos技术不兼容，由于光子晶体微腔上下的折射率不匹配，品质因子较小。此发明中的卤化铅钙钛矿纳米片直接暴露在空气中，会导致卤化铅钙钛矿纳米片降解，从而使得激光器的性能不稳定。因此，需要采取措施来保护卤化铅钙钛矿，以确保激光器能够稳定运行。

3、2020年，中山大学刘进教授课题组制备了由钙钛矿量子点和氮化硅一维光子晶体束腔组成的混合激光器，该激光器由分散在pmma中的钙钛矿量子点、氮化硅一维光子晶体束腔、二氧化硅层以及硅基底构成。此激光器通过波长532nm的皮秒激光激发，成功实现了688nm单模激光输出，其阈值为5.62μj cm-2，激光线宽为0.045nm，光子晶体束腔的模式体积为2.5(λ/n)3。通过涂覆一层与钙钛矿量子点混合的pmma封装光子晶体束腔，既大大提高了q值，又起到了保护钙钛矿量子点的作用。但一维光子晶体束腔仅能在一个方向上实现光学限制，不易实现高q值、小模式体积微腔的构建。要实现高q值，首先需保证线性锥形中心区域的孔直径周期等参数的加工误差极小，增加了加工难度，其次需增加纳米梁两端构成布拉格反射镜的空气孔数量，导致结构变得细长，力学稳定性降低。

4、综上所述，现有基于光子晶体微腔钙钛矿激光器的研究很难同时实现高q值和小模式体积且加工难度较大，因此，现有实现钙钛矿光子晶体激光器的技术有待于改进和发展。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术的不足，我们发明了一种与cmos技术兼容、具有高q值、低阈值的室温卤化铅钙钛矿光子晶体纳米谐振腔激光器。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于光子晶体微腔结构的钙钛矿量子点激光器，所述的钙钛矿量子点激光器从下至上依次为硅基底i、二氧化硅氧化层ⅱ、光子晶体微腔层iii、在光子晶体微腔层iii的顶部且渗透光子晶体微腔层iii的空气孔阵列形成的混合有钙钛矿量子点的聚合物层iv。

4、可选地，所述sio2氧化层ⅱ的厚度为1-3μm。

5、可选地，所述光子晶体微腔层iii是由si3n4制成的具有线性三孔缺陷(l3)的二维三角晶格平板光子晶体微腔，由多个周期排布的圆孔阵列移除中心位置中排列成一行的三个相邻圆孔(如图3中虚线圆3)组成。平板光子晶体微腔厚度为h，光子晶体微腔的晶格周期为a，空气孔半径为r。线性三孔缺陷左右边界的两个空气孔(如图3中1所示)半径均为r′，圆心向两端外移的距离为d1，线性三孔缺陷上下两侧的空气孔(如图3中2所示)半径为均r″，圆心向两侧外移的距离为d2。通过调整缺陷边缘附近孔的半径和位置改变缺陷边缘布拉格反射的条件，获得更温和的约束，使得缺陷边缘的电场分布变得平缓，从缺陷中泄露的光变少，从而提高q值。

6、可选地，所述光子晶体微腔的晶格周期a为200-300nm，空气孔半径r为50-100nm，厚度h为100-200nm；缺陷左右两个空气孔半径r′＜r，缺陷左右两个空气孔圆心向两端外移的距离d1为5-50nm；缺陷上下两侧空气孔半径r″＜r，缺陷上下两侧空气孔圆心向上下两端外移的距离d2为5-50nm。

7、可选地，所述钙钛矿量子点为甲脒卤化铅钙钛矿量子点，化学式为ch3nh2pbx3，其中x可以是元素氯cl、元素溴br、元素碘i或者是它们中两者的混合。

8、可选地，所述钙钛矿量子点的发光光谱波段与所述封装有混合钙钛矿量子点的聚合物层iv的光子晶体微腔的谐振波段一致。

9、可选地，聚合物层iv的聚合物为pmma或pdms。

10、可选地，可以通过添加苯甲醚或甲苯调节聚合物层iv的厚度。

11、可选地，所述混合有钙钛矿量子点的聚合物层iv的厚度为0.05-1μm。

12、可选地，光子晶体微腔层iii的腔共振光谱在封装聚合物后会红移，即激光器的输出光谱与不含聚合物层iv的二维光子晶体微腔共振谱相比会红移。

13、本发明还提供一种基于光子晶体微腔结构的钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

14、步骤1：硅基底i上制备sio2氧化层ⅱ，在sio2氧化层ⅱ表面制备si3n4层；

15、步骤2：采用电子束曝光系统ebl和电感耦合等离子体刻蚀icp，在si3n4层刻蚀出所述光子晶体微腔层iii；

16、步骤3：将钙钛矿量子点溶液和聚合物溶液混合，制备含有钙钛矿量子点的聚合物溶液；

17、步骤4：利用旋涂法制备渗透光子晶体微腔空气孔的混合有钙钛矿量子点的聚合物层iv；

18、(注：旋涂法是旋转涂抹法的简称，是一种薄膜制备方法，主要设备为匀胶机，旋涂法包括：滴胶，高速旋转，挥发成膜三个步骤，通过调节旋转的时间。转速、以及所用溶液的浓度、粘度和滴液量来控制成膜的厚度。)

19、进一步的，所述si3n4层的制备方法有磁控溅射法和化学气相沉积法。

20、进一步的，钙钛矿量子点溶液和聚合物溶液的体积比为1:2。

21、进一步的，制备混合有钙钛矿量子点的聚合物溶液时，可以通过添加苯甲醚稀释pmma，改变pmma层的厚度；可以通过添加甲苯稀释pdms，改变pdms层的厚度。

22、进一步的，混合有钙钛矿量子点的聚合物溶液以2000-4000rpm的转速在光子晶体微腔样品上旋涂10-60s，然后在50-80℃下退火5-30分钟。

23、本发明的有益效果是：

24、本发明的激光器结构简单、易于制造且兼具体积小和能效高的优点。本发明通过优化光子晶体微腔缺陷周围孔半径和位置以及构造折射率沿纵向对称分布的非悬浮结构，在实现高q值、小模式体积、降低激光阈值的同时提高了激光腔的机械稳定性；采用可溶液加工的钙钛矿量子点材料，具有低成本、载流子迁移率高、光吸收系数大等优势；通过将钙钛矿量子点包裹在pmma中可以有效地防止其在空气中氧化和分解，从而增强了激光器的稳定性。