【Physics Reports】综述：利用混合钙钛矿介质作光学腔应用于光子学和光电子学

深圳大学张豫鹏博士和张晗教授在物理学顶级刊物《Physics Reports-Review Section of Physics Letters》（影响因子20.099，中科院JCR一区top期刊）上发表题为“Photonics and Optoelectronics Using Nano­structured Hybrid Perovskite media and their Optical Cavities”的长篇综述。

近年来，金属卤化物钙钛矿材料（ABX3, 其中，A位为单价有机或无机组元，B位为二价金属离子，X位为卤族离子）因其优异的光电性能成为目前光电领域的明星材料，在太阳能电池、激光器、光电探测器、场效应晶体管、发光二极管等诸多领域受到了广泛关注。

相对于传统半导体材料，金属卤化物钙钛矿材料具有制备成本低、光吸收系数高、载流子扩散路径长、荧光量子产率高、俄歇复合效率低等特点。更为重要的是，其光电特性可以通过组分的变换而进行精确调控。

例如，A位离子尺寸的变化，可以使其晶体结构由三维离子晶体转变为二维范德华层状材料，进而实现其载流子迁移率、激子束缚能等特性的调控；X位卤素离子的变化，可以带来丰富的带隙变化、宽波段吸收以及覆盖全部可见光区域的荧光发射。

与此同时，钙钛矿纳米结构尤其是二维Ruddlesden–Popper相钙钛矿材料，很容易对电荷行为产生量子限域效应并形成典型的量子阱结构，从而减小波尔半径并使其激子束缚能提高，产生光-激子强耦合效应。

此外，钙钛矿纳米结构的软晶格特性（弹性模量小），使其在光场作用下，非常容易引入了更多的声子振动模式，并与电子自由度耦合，形成电子-声子强耦合作用。因此，钙钛矿纳米结构中的光与物质相互作用存在丰富的光子-声子-电子等多场耦合机制，这为我们构建多功能、高性能光电子器件提供了非常好的材料基础。

随着纳米材料和微纳加工技术的高速发展，光电子器件进一步向着微型化与集成化方向发展。但是由于衍射极限的限制，传统的光电子器件难以实现其在纳米层面和结构上的相关应用。在纳米尺度上探索并调控光与物质相互作用对信息光电子器件的发展至关重要。

这其中，等离激元和光学微腔耦合是两种重要的调控手段。局域表面等离激元可以把电磁场的能量限域在一个很小的尺度，为研究和调控光与物质相互作用提供了良好的体系；而光学微腔则是一种利用光在介电常数不连续的材料界面反射、散射或者衍射，将光限制在微纳米量级区域的光学谐振腔。

因此，如何将钙钛矿纳米结构与等离激元或光学微腔耦合，系统研究并调控其光与物质相互作用，对于构建新型光电子器件具有重要意义。

   金属卤化物钙钛矿与等离激元和光学微腔耦合的光学效应

 基于此，该综述系统地介绍了金属卤化物钙钛矿及其纳米结构的光电特性（包括载流子迁移率、激子束缚能、陷阱态密度、荧光量子产率、载流子扩散距离、光学常数等），以及组分、结构调控对其光电特性的影响；解析了等离激元和光学微腔中的基本物理参数。

进一步阐明了金属卤化物钙钛矿纳米结构与等离激元和光学微腔耦合过程中的光学效应，例如，等离激元耦合中的远场散射、近场增强、能量转移以及电荷转移等效应；光学微腔耦合中由钙钛矿纳米线、纳米棒等构建的法布里-珀罗腔（Fabry–Pérot cavities）、由钙钛矿纳米片等构建的回音壁腔（Whispering-gallery-mode cavities）、以及光子晶体和布拉格反射腔体等。

在此基础上，全面综述了近些年来金属卤化物钙钛矿纳米结构与等离激元和光学微腔耦合在光电子器件（光探测器、太阳能电池、LED及显示、纳米激光器、光波导与调制、非线性光学器件等）领域的研究现状与发展趋势。

最后，作者详细构建了金属卤化物钙钛矿纳米结构的发展未来，包括但不局限于：

（1）从电子到宏观层面多尺度模拟以及通过材料基因工程，加速新型钙钛矿材料的筛选及高效确定。

（2）在钙钛矿纳米结构中构建介电常数为零或近零模式，实现光与物质相互作用调控的新方式。

（3）实现钙钛矿纳米结构和半导体等离激元/光学微腔的高效耦合。

（4）实现钙钛矿纳米结构在传感器、量子计算等领域的突破。

该综述文章第一作者是深圳大学研究员张豫鹏博士，通讯作者为深圳大学张晗教授和纽约州立大学布法罗分校Paras N. Prasad教授。深圳大学为第一作者单位和通讯作者单位。

【文章链接】

Photonics and optoelectronics using nano-structured hybrid perovskite media and their optical cavities

Yupeng Zhang, Chang-Keun Lim, Zhigao Dai, GuannanYu, Joseph W. Haus, Han Zhang, Paras N. Prasad

Physics Reports, 2019-06-07

DOI: 10.1016/j.physrep.2019.01.005

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