電驅動鈣鈦礦激光器

電驅動鈣鈦礦激光器，是材料科學、光子學、電子工程學科交叉融合孕育出的前沿明珠。它承載著人們對下一代低成本、高性能、可集成光源的美好愿景。雖然前方仍有諸多科學與工程的難關需要攻克，但每一次實驗室的突破，都讓我們離這個光明的未來更近了一步。它不僅僅是一個激光器，更是一把可能開啟下一次光電子產業革命的鑰匙。

在深入探討“電驅動鈣鈦礦激光器”這個略顯復雜的術語之前，讓我們先從一個家喻戶曉的概念——激光（Laser）——開始。

激光與普通光（如太陽光、燈光）不同，它擁有四大非凡特性：高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。正因如此，激光成為了現代科技不可或缺的工具，廣泛應用于工業切割、醫療美容、通信、傳感、國防以及我們日常生活中的光盤讀取、條形碼掃描、激光筆等眾多領域。

傳統的激光器通常由三大核心部分構成：

1.  增益介質（Gain Medium）：一種能夠通過受激輻射放大光信號的物質，是激光的“心臟”，如晶體、氣體、半導體等。

2.  泵浦源（Pump Source）：為增益介質提供能量，使其達到“粒子數反轉”狀態（即處于高能級的粒子多于低能級），如電源、閃光燈或其他激光。

3.  光學諧振腔（Optical Cavity）：由兩面鏡子組成，光在其中來回反射，不斷被放大，最終形成一束強大的激光輸出。

目前，絕大多數激光器，尤其是我們在生活中直接接觸到的，都是電驅動（Electrical Pumping）的。也就是說，我們簡單地插上電源、按下開關，電流注入激光器，它就能發出激光。這非常方便且易于集成。

然而，在追求小型化、低成本、可溶液加工、波長可調的下一代激光器（特別是半導體激光器）的競賽中，科學家們遇到了一個巨大的挑戰。而一種名為“鈣鈦礦”的材料，正以其驚人的特性，成為解決這一挑戰的超級明星。

認識明星材料 - 鈣鈦礦

“鈣鈦礦”這個名字最初來源于一種鈣鈦氧化物（CaTiO?）礦物。但在光電子領域，我們所說的鈣鈦礦（Perovskite） 通常指的是一類具有與CaTiO?相同晶體結構的有機-無機雜化或全無機化合物，其通用化學式為ABX?。

A位：通常是有機陽離子（如甲銨離子CH?NH??）或無機銫離子（Cs?）。

B位：通常是二價金屬陽離子，如鉛離子（Pb2?）或錫離子（Sn2?）。

X位：通常是鹵素陰離子，如碘離子（I?）、溴離子（Br?）、氯離子（Cl?）。

這種特殊的結構賦予了鈣鈦礦材料一系列令人矚目的光學特性，使其成為激光增益介質的理想候選者：

1.  優異的光電性能：具有高的光致發光量子產率（PLQY），意味著吸收光后，能高效地再發射出光，損耗極小。

2.  高增益系數：能夠非常有效地放大光信號，很容易產生激光所需的受激輻射。

3.  可調諧的發射波長：通過簡單地改變A、B、X位的元素組成（例如調整Br和I的比例），可以像調色板一樣，輕松地讓鈣鈦礦發射出從深藍色到近紅外整個可見光譜范圍的光。這是許多傳統半導體材料難以實現的。

4.  低缺陷密度與高容忍度：即使晶體中存在一些缺陷，對它的發光效率影響也不大，這降低了制備的難度。

5.  低成本與溶液加工性：鈣鈦礦材料可以通過旋涂、噴墨打印等低成本溶液法制備，非常適合大規模生產制造柔性、可穿戴的光電子器件。

基于這些優勢，科學家們早在2014年就首次實現了光泵浦（Optically Pumped） 的鈣鈦礦激光器，即用另一束激光去激發鈣鈦礦，使其發出激光。這項成果轟動一時，證明了鈣鈦礦作為增益介質的巨大潛力。

圣杯般的挑戰 - 為何要實現“電驅動”？

雖然光泵浦鈣鈦礦激光器證明了概念可行性，但它離實際應用還很遙遠。因為這需要另一臺復雜的激光器作為泵浦源，整個系統笨重、低效且昂貴。因此，整個領域的科學家都將 “實現電驅動鈣鈦礦激光器” 視為終極目標，甚至被稱為鈣鈦礦激光器領域的“圣杯”（Holy Grail）。

為什么電驅動如此重要？

1.  集成性與便攜性：電是世界上最普遍、最易得的能源形式。電驅動意味著鈣鈦礦激光器可以像LED燈泡一樣，直接接通電流就能工作，可以輕松地集成到現有的電子設備和芯片上。

2.  效率與實用性：省去了額外的光泵浦系統，能量轉換路徑更短，理論上整體效率更高，結構更緊湊，更適用于實際場景。

3.  市場與應用潛力：一旦實現，將打開一個巨大的應用寶庫：

片上光互連（On-chip Optical Interconnect）：在計算機芯片內部，用超快、低能耗的激光代替銅線進行數據傳輸，速度可提升千倍，能耗大幅降低。

高分辨率激光顯示：制造出紅、綠、藍三基色的電驅動激光器，實現更鮮艷、更節能的投影和顯示技術。

化學與生物傳感：特定波長的激光可用于檢測環境中的微量物質或用于醫療診斷，電驅動使其成為便攜式傳感器。

激光照明與通信（Li-Fi）：用于下一代可見光通信技術。

面臨挑戰

盡管前景誘人，但實現電驅動卻異常艱難。主要挑戰在于電流注入的過程與鈣鈦礦材料本身的特性存在矛盾：

1.  載流子擴散長度與器件厚度的矛盾：

電流注入時，正電荷（空穴）和負電荷（電子）需要在增益介質中相遇并結合（復合），才能發光。

鈣鈦礦中，雖然載流子擴散長度（電荷能移動的距離）相比其他溶液加工材料已很長（微米級），但要形成激光，需要很高的電流密度，這就要求器件有更厚的活性層來承受電流。

然而，器件太厚，電荷在到達彼此之前就損耗掉了；太薄，又無法承受高電流且光學模式不好控制。找到這個平衡點非常困難。

2.  非輻射復合與發熱問題：

在高電流密度下，電荷更容易通過器件缺陷非輻射復合（即以發熱的形式消耗能量，而不是發光），這會導致效率驟降（效率滾降）。

巨大的熱量會直接破壞脆弱的鈣鈦礦晶體結構，導致器件迅速退化甚至燒毀。散熱是巨大難題。

3.  光學損耗與模式控制：

用于注入電流的電極（通常是金屬）會吸收光，造成巨大的光學損耗，抑制激光的產生。

如何設計諧振腔結構，在有效注入電流的同時，又能保證光場被良好地限制在增益介質中并低損耗地振蕩，是器件物理設計的核心挑戰。

簡單來說，就是在高電流下，如何讓電荷“快準穩”地相遇發光，同時避免它們“打架”（非輻射復合）和“中暑”（發熱），還要給光造一個“高質量的回音壁”（諧振腔）。

突破之路

面對這些挑戰，全球的研究團隊從材料工程和器件物理兩個角度雙管齊下，尋求突破。

1. 材料工程：打造更“強壯”的鈣鈦礦

組分優化：嘗試不同的A、B、X位組合，尋找更穩定、缺陷更少、載流子遷移率更高的配方。例如，使用全無機鈣鈦礦（如CsPbBr?）來提高熱穩定性。

維度工程：制備低維鈣鈦礦，如量子點（0D）、納米線（1D）、量子阱（2D）。這些材料由于量子限域效應，發光效率更高，并且其天然的量子阱結構類似于傳統的半導體激光器，有利于電荷約束，降低激光閾值。

缺陷鈍化：在鈣鈦礦中添加一些有機或無機分子，來“修補”晶體表面的缺陷，減少非輻射復合的陷阱，從而提高發光效率和對高電流的耐受能力。

電驅動鈣鈦礦激光器

2. 器件物理：設計更“聰明”的結構

諧振腔創新：不再局限于簡單的平板結構，設計分布反饋式（DFB）、分布式布拉格反射鏡（DBR）、微盤（Microdisk）等新型諧振腔，以更有效地限制光子和降低閾值。

電荷傳輸層優化：精心挑選和設計電子傳輸層（ETL）和空穴傳輸層（HTL），使電荷能平衡、高效地注入到鈣鈦礦活性層中，避免某一類電荷擁堵造成效率損失。

界面工程：改善各層材料之間的界面接觸，減少注入勢壘和界面復合，這也是降低閾值和減緩滾降的關鍵。

新型電極與散熱設計：使用透明導電電極（如ITO）或超薄金屬電極來減少光學吸收，并探索有效的散熱方案。

經過近十年的努力，研究終于迎來了黎明。2022年，來自中國、美國、韓國等多個頂尖研究團隊幾乎同時宣布，他們在低溫（如液氮溫度）下首次觀測到了電驅動鈣鈦礦激光的明確證據！ 雖然這些初步成果還需要低溫環境，但這無疑是零的突破，證明了電驅動在物理原理上是完全可行的，為最終實現室溫連續激射奠定了堅實的基礎。

該激光器采用了創新的"雙腔"結構設計，將兩種關鍵子單元垂直集成于同一器件中：一個是低閾值單晶鈣鈦礦微腔子單元，另一個是高功率微腔鈣鈦礦LED(PeLED)子單元。這種集成架構使得器件能在脈沖電激發下，以最低92 A cm?2的電流閾值產生激光，這一數值比當前最先進的電驅動有機激光器低整整一個數量級。

核心突破在于其高達82.7%的光子耦合效率——PeLED子單元產生的定向發射能量被高效注入單晶鈣鈦礦微腔，從而觸發激光作用。研究團隊表示："盡管集成式電驅動的原理本身并不復雜，但在器件制備過程中我們克服了諸多技術挑戰。"

在約22°C的空氣環境中，該器件表現出顯著優勢：

平均激光閾值為129 A cm?2

工作壽命達到1.8小時（10Hz條件下約6.4×10?次電壓脈沖）

可實現36.2MHz帶寬的快速調制

這些特性遠超現有電泵浦有機激光器的性能水平。

這項技術將為多個領域帶來革新：

光電集成：為集成光子芯片提供理想的相干光源

數據通信：36.2MHz的調制能力使其適用于片上數據傳輸

生物醫學：可應用于精密醫療設備和診斷系統

可穿戴設備：得益于鈣鈦礦材料輕量化、可溶液加工的特性