近日，韩国釜山国立大学机电一体化工程系Suck Won Hong团队通过使用图案化的聚氨酯-丙烯酸酯波导结构，实现了二维CsPbBr3纳米片的光增益增强效应。
研究人员针对可变条纹长度法反演增益系数的不确定性和缺陷，在频谱能量(?ω)和条纹长度(x)平面上获得增益等值线g(?ω,x)，从而得到平均增益，并分析了增益饱和度。增益轮廓的激发和温度依赖性表明，由于增加的光学限制和热耗散，波导增强了增益和热稳定性。其中，增益来源于二维激子和局域态。
研究背景
金属卤化物钙钛矿（MHPs）具有低成本、可溶性加工、可调谐的带隙和高量子产率等优点，因此在太阳能电池、发光二极管、激光器和光电探测器等领域具有广泛的应用前景。
过去的研究主要集中在有机-无机钙钛矿薄膜和量子点上，而全无机钙钛矿CsPbBr3薄膜由于其多晶形态中存在大量缺陷而受到限制。最近，通过大规模制备单晶薄膜解决了这个问题，但对于CsPbBr3纳米片的增益研究尚未报道。
通过与条纹长度相关的放大自发辐射强度获得特定波长的光学增益系数，即可变条纹长度法，其因简便性而被广泛使用，大多数有关金属卤化物钙钛矿 的模态增益研究都是基于可变条纹长度法进行的。然而，从放大自发辐射的条纹长度依赖性中获取光学增益系数时，可能会涉及各种不确定性。这些不确定性对于获得一致的增益系数非常重要，但通常会被忽视。因此，应考虑到实验实施和数值检索中可能存在的误区。
研究团队旨在研究CsPbBr3纳米片的增益特性，并探究激发和温度对增益的影响。
创新研究
团队研究了可变条纹长度法中的增益饱和问题，提出了一种基于微观图案波导结构的解决方案。通过实验和模拟，研究人员发现，模式化的波导结构可以增强光学限制和热耗散，从而提高增益和热稳定性。
此外，团队还证实了CsPbBr3纳米片通过微米尺度的波导结构增强了模态增益，该结构是由聚氨天烯酸醋(PUA)图案化基底制成的。在图1中，研究人员展示了CsPbBr3纳米片的特征和在图案化的PUA波导上的沉积过程，由此获得钙钛矿条纹的周期性阵列。在图2中，团队使用可变条纹长度法显示了有和没有PUA波导情况下的CsPbBr3纳米片的净增益，这些结果表明光学限制增强依赖于光谱能量。
在CsPbBr3纳米片上使用PUA波导结构可以增强增益和热稳定性，随着温度的升高，使用波导结构的CsPbBr3纳米片的增益面积和体积增加，全局平均增益的温度依赖性显示，使用波导结构的CsPbBr3纳米片的热稳定性较好（见图3）。
总的来说，研究人员从温度和激发依赖性、增益饱和度以及波导效应等方面研究了CsPbBr3纳米片的净增益。解决了可变条纹长度法中旧有分析可能存在的缺陷和局限。该研究得到的光谱长度增益等值线g(?ω,x)在评估增益饱和度与温度和激发强度的函数关系时非常有用，由此可以得到具有代表性的平均增益。
图1 CsPbBr3纳米片的表征和在图案化PUA波导上的沉积过程
图2 4.2 K下具有和不具有PUA波导的CsPbBr3纳米片的光学净增益
图3 0.14 µJ/cm2激励下净增益的温度依赖性
该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Gain enhancement of perovskite nanosheets by a patterned waveguide: excitation and temperature dependence of gain saturation”，Inhong Kim, Ga Eul Choi和Ming Mei为论文的共同第一作者，Suck Won Hong、Kwangseuk Kyhm和Robert A. Taylor教授为论文的共同通讯作者。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01313-0
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