钙钛矿型甲胺铅溴多面体微晶的制备与激光性能研究

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近年来,有机金属卤化物钙钛矿凭借其优异的光电性能在电致发光器件、光伏转化器件、光/辐射探测等领域取得了重要进展。特别地,作为一种优异的光增益介质,有机金属卤化物钙钛矿具有形貌调控方便、制备工艺简单、直接带隙可调等优势,是国际学术界的研究热点之一。进一步提高钙钛矿激光器件的性能,如降低激光阈值、调控激光出射模式是当前研究的主要方向之一。本文以甲胺铅溴钙钛矿为研究对象,通过优化溶液法首次合成了具有多面体结构的钙钛矿晶体,并对其生长机理做了深入探讨,同时在泵浦作用下成功实现了激光出射和激光性能的调控。具体工作如下:为了构建多面体谐振腔,利用溶液混合沉淀法合成了甲胺铅溴(CH3NH3PbBr3)多面体单晶颗粒。通过将一定浓度的溴化铅(PbBr2)溶液滴加到甲基溴化铵(CH3NH3Br)溶液(溶剂为异丙醇IPA)中,在水浴超声混合的条件下获得了甲胺铅溴多面体微粒。我们的研究表明,甲基溴化铵溶液的浓度在甲胺铅溴多面体结构形成过程中具有关键作用,超低浓度的甲基溴化铵溶液更利于甲胺铅溴晶体形成多面体结构。通过改变混合方式,发现在剧烈混合条件下,甲胺铅溴晶体更易形成立方体结构,这是由于剧烈的混合加快了反应速率。同时,剧烈的混合加剧了溶液对晶体的侵蚀,因此形成了一些空心结构。采用400 nm波长的飞秒脉冲激光进行泵浦,甲胺铅溴多面体微粒能够实现激光出射,更小尺寸的结构还可以实现品质因子高达1400的单模激光,这进一步表明通过溶液混合沉淀法合成的甲胺铅溴多面体微粒具有较高的晶体质量。通过改进型反溶剂气相扩散结晶法合成了甲胺铅溴多面体锥状微米线。将溴化铅薄膜浸泡到较高浓度的甲基溴化铵溶液中先制备出甲胺铅溴多晶薄膜,然后在此薄膜上滴加前驱体溶液,采用反溶剂气相扩散结晶法在薄膜上成功制备了甲胺铅溴多面体锥状微米线。进一步地,通过实验验证发现,获得的甲胺铅溴多晶薄膜中是否含有溴化铅对最终形成的甲胺铅溴微粒的形貌起着至关重要的作用。此外,通过辛胺调控甲胺铅溴的结晶过程,采用反溶剂气相扩散结晶法合成了甲胺铅溴微米线。采用400 nm飞秒脉冲激光作为泵浦激光,分别作用于甲胺铅溴微米线和甲胺铅溴多面体锥状微米线,深入研究了这两种结构的微米线的激光出射特性。在均匀泵浦条件下,甲胺铅溴微米线轴向上的F-P模式优先谐振,通常体现为多模激光出射;甲胺铅溴多面体锥状微米线轴向的端面并不平整,这使得F-P模式被抑制,横向截面内的WGM激光优先起振,由于腔模的体积较小,出射激光普遍具有单模特性。本论文提供了钙钛矿多面体微粒和钙钛矿多面体锥状微米线的合成方法,揭示了两种不同钙钛矿多面体单晶的生长机理,并展示了其在激光器件领域的应用。
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