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有机聚合物与钙钛矿材料多层膜激光器件的性能研究

孙汇智  
【摘要】:随着科学技术的日益进步,人们对于单色激光器的研究已经趋于成熟。近年来,双色或多色激光器引起了科学家和大众的广泛关注,被认为是实现未来并行量子计算、激光显示、激光照明等突破性科技的关键技术源头。有机聚合物材料和钙钛矿材料在激光方面都具有较低的阈值和较高的光增益且互相不溶解,本文创新性地提出将有机聚合物和钙钛矿在同一衬底上制备成多层膜结构激光器件。为了使多波长激光同时输出,尽量减少器件中的光损耗是至关重要的。首先对制备低放大自发辐射阈值钙钛矿薄膜的方法进行了探讨,之后在衬底和钙钛矿薄膜图案化方面开发了一种低成本且简单可控的软纳米压印技术,最后对多层膜结构进行逐步优化实现有机材料和钙钛矿材料经过一束光泵浦后同时出现放大自发辐射的现象。本文具体研究内容如下:(1)优化了钙钛矿薄膜的制作工艺。比较不同浓度醋酸铅溶液制备的MAIPb I_3钙钛矿薄膜,发现当醋酸铅浓度为0.4 mmol/ml时,表面晶粒均匀平整,粗糙度较低,样品得到最低的放大自发辐射阈值0.24μJ/pulse(8.56μJ/cm~2)。同时使用醋酸铅作为前驱溶液制备样品时有比较宽松的退火条件,无论是在室温下,还是高温(250℃)只要控制好退火时长,都可以制备出高质量的钙钛矿薄膜。总结了多种以传统碘化铅作为铅源的制备工艺,与之相比醋酸铅的制备方法更简便,也更容易控制和重复。(2)使用纳米压印技术完成了IPS模版对硅片主模板的复制转印,在这种转印方式得到的DFB光栅上沉积钙钛矿(MAPb I_3)薄膜,实现了在近外红波长的光泵浦垂直单模激光发射,其半峰宽为0.6 nm,激光阈值为227.7μJ/cm~2。把IPS模板上的图案分别转移到全氟聚醚和聚二甲基硅氧烷上,通过对比得到使用全氟聚醚转印是更容易有效的一种软光栅压印方式。利用全氟聚醚模板直接压印钙钛矿层可以得到清晰沟壑的钙钛矿光栅结构,测试激光性能得到窄化的峰(半峰宽2 nm)。(3)将有机聚合物F8BT和MAIPbI_3钙钛矿叠加旋涂制成多层膜激光器件,在经过加入聚苯乙烯和醋酸纤维素界面层后在450 nm泵浦条件下实现了放大自发辐射双峰(567 nm和788 nm)。通过把有机聚合物更换为PFN-Br可以把界面层减少一层,PFN-Br+聚苯乙烯+MAPb I_3样品在415 nm光激发时在455 nm和784 nm处同时实现了放大自发辐射。


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