Advanced Materials|纳米级缺陷对多晶钙钛矿薄膜中宏观放大自发发射的影响

钙钛矿薄膜激光二极管已成为片上激光源的有前景候选。然而，尽管光学泵浦激光技术已成功展示，电泵浦钙钛矿激光器的实现仍极具挑战。本研究通过绘制异相薄膜中放大自发发射的空间分布及其与局部电子性质的空间相关性，研究了多晶钙钛矿薄膜中的光学增益机制。我们发现，这些多晶钙钛矿薄膜中的光学增益主要发生在有缺陷的位点，尽管光致发光效率较低，但它们展现出高光学增益效率、更低的光载体寿命。我们的发现凸显了缺陷在电泵送激光二极管开发中的重要性。

钙钛矿薄膜中空间非均匀的放大自发辐射（ASE）（a）功率依赖的光致发光（PL）测量装置：PL信号同时由光纤耦合的光栅光谱仪和TWINS高光谱相机收集。光栅光谱仪采集整个视场的空间积分PL信号，而高光谱相机提供空间分辨的PL光谱。（b）空间积分PL光谱在790 nm处的强度及半高全宽（FWHM）随激光能量密度的变化，显示ASE阈值约为58 µJ/cm²。（c）功率依赖的空间积分PL光谱及空间分辨的ASE分布图。第一行：光纤耦合光栅光谱仪采集的空间积分光谱，每个光谱的x轴和y轴范围相同。第二行：功率依赖的峰值波长分布图，z轴对应每个光斑的峰值发射波长：蓝色（765 nm）代表自发辐射波长，红色（790 nm）代表ASE波长。最下行：ASE波长（790 nm）处的空间分辨PL强度图，显示ASE分布的不均匀性。（d）58 µJ/cm²下的空间分辨图：左图为峰值波长分布图，右图为ASE强度分布图。绿色ROI：ASE区域，洋红色ROI：非ASE区域。（e）空间积分光谱（黑色）与空间分辨光谱的对比。所有图片比例尺均为2 µm。

这篇研究有点反常识：通常大家都觉得钙钛矿薄膜里的缺陷越少越好，但作者发现，正是那些晶界处的缺陷，反而成了放大自发辐射（ASE）的热点。他们用高光谱成像、PEEM和FLIM等技术，直接看到了在激发的多晶薄膜里，ASE并不是均匀出现的，而是集中在某些晶界区域。这些地方缺陷密度高、自发辐射效率低，但载流子寿命更长，更容易实现粒子数反转，ASE阈值也更低。反倒是那些结晶好、晶粒大、发光效率高的“完美”薄膜，ASE阈值更高，更难出光。

这其实解释了为什么早些年工艺还不成熟时，粗糙的钙钛矿薄膜反而能做出很低的ASE阈值。缺陷在这里扮演了“载流子蓄水池”的角色，帮助形成了三能级系统。但矛盾在于，电注入下这些缺陷又会引起严重的焦耳热。所以未来要做出电泵浦钙钛矿激光器，关键可能不是一味消除缺陷，而是学会区分浅能级缺陷和深能级缺陷——保留有益的浅能级缺陷，同时钝化那些导致发热和降解的深能级缺陷。

参考文献：