基于高导热金刚石基底的高效散热钙钛矿激光

可溶液法制备的钙钛矿拥有优异的光学、电学性能，是一类极具潜力的电泵浦激光增益介质。钙钛矿激光器在飞秒脉冲泵浦激光发展到连续波泵浦激光方面取得了迅速进展，这被认为是迈向电泵浦激光的关键一步。在市售的电注入激光器中，具有大导热系数κ和高载流子迁移率m的传统外延生长单晶半导体通常在大电流下表现出小的电阻加热。虽然钙钛矿具有大而平衡的载流子迁移率，但它们的κ值较小。MAPbI₃的导热系数为1 ~ 3 W m⁻¹ K⁻¹，低于GaAs (50 W m⁻¹ K⁻¹)。因此，通过非辐射途径损失的能量转化为热量不能有效地消散，这将增加激光阈值。分布式反馈(DFB)钙钛矿激光器的最低电激发阈值高达24 mA cm⁻²。此外，用于激光设备的传统钙钛矿发光二极管架构中存在大电流注入，由于焦耳加热，外部量子效率将在大电流注入条件下受到显著限制。因此，热管理是发展钙钛矿电泵浦激光器的瓶颈。

近日，太原理工大学李国辉副教授、于盛旺教授、崔艳霞教授和隆德大学郑凯波研究员等人在Science China Materials发表研究论文，展示了一种可以将光泵浦过程中产生的热量高效耗散的金刚石基底钙钛矿纳米片激光。此外，通过在纳米片和金刚石基底之间引入一层薄SiO₂间隔层实现紧密的光学束缚。该激光的品质因子高达~1962，激光阈值为52.19 μJ cm⁻²。受益于金刚石基底，其泵浦能量密度相关温度灵敏度较低(~0.56±0.01 K cm² μJ⁻¹)。该工作有望促进电泵浦钙钛矿激光的发展。

图1 具有SiO₂间隔层的金刚石基底上钙钛矿纳米片激光器的原理图.

研究亮点 

（1）实现了基于高导热金刚石基底的钙钛矿激光，该激光器的Q因子为1962，激光阈值为52.19 μJ cm⁻²。

（2）通过在纳米片和金刚石基底之间引入一层薄SiO₂间隔层实现紧密的光学束缚。受益于金刚石基底，其泵浦能量密度相关温度灵敏度较低(~0.56±0.01 K cm² μJ⁻¹)，该灵敏度比先前报道的玻璃基底上钙钛矿纳米线激光器的灵敏度低了一到两个数量级。结果证实，利用高导热金刚石基底在钙钛矿激光器中实现了高效热管理。

图2 不同SiO₂间隔层厚度的金刚石基底上MAPbI₃纳米片的电场分布: (a) 50 nm, (b) 100 nm, (c) 200 nm.

图3 (a)金刚石基底的图像, (b)金刚石基底的吸收光谱, (c)金刚石基底和(d)SiO₂间隔层的AFM图像, (e)转移到金刚石基底上的钙钛矿纳米片的显微图像.

图4 (a)含100nm厚SiO₂间隔层的金刚石基底上钙钛矿纳米片激光器发射光谱随泵浦密度P的2D伪彩色图, (b)纳米片激光器的发射强度与P的函数关系, (c)激光发射峰值的FWHM与P的函数关系.

图5 在(a)具有100 nm厚SiO₂间隔层, (b)具有200 nm厚SiO₂间隔层的金刚石基底, 以及(c)云母基底上, 高于阈值的不同泵浦密度下的纳米片激光发射光谱. 在(d)具有100nm厚SiO₂间隔层, (e)具有200 nm厚SiO₂间隙层的金刚石基底上, (f)云母衬底上, λ₀与P的函数关系.

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Efficient heat dissipation perovskite lasers using ahigh-thermal-conductivity diamond substrate. Guohui Li, Zhen Hou, Yanfu Wei, Ruofan Zhao, Ting Ji, Wenyan Wang, Rong Wen, Kaibo Zheng, Shengwang Yu, Yanxia Cui^. https://doi.org/10.1007/s40843-022-2355-6