钙钛矿激光器突破，一个简单变化就能让微型激光器比以往更加强大

抖音快讯 2025年08月24日 22:30 2 admin

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250822073809.htm

光通信和计算技术正迎来一个关键转折点。浙江大学研究团队通过在钙钛矿薄膜处理过程中添加一种简单的铵化合物，成功解决了困扰该领域多年的俄歇复合问题，使微型激光器的性能达到了前所未有的水平。这项发表在《先进光子学》期刊的研究成果，为实现真正的芯片级激光器集成铺平了道路，有望彻底改变未来的光电子器件设计。

传统的商用激光器主要采用III-V族半导体材料，需要在专用基板上生长，制造成本高昂且难以与硅芯片技术兼容。相比之下，全无机钙钛矿材料具有制造成本低、基板兼容性好、光学性能优异等显著优势，被视为下一代微型激光器的理想材料。然而，室温下钙钛矿激光器在连续或近连续模式下的运行一直面临严重挑战——俄歇复合效应会导致激光所需载流子的快速损失，严重限制了器件性能。

抑制俄歇复合，实现高性能钙钛矿VCSEL。图片来源：戴兴良（浙江大学）

浙江大学团队的突破在于发现了一种简单而有效的解决方案。他们在多晶钙钛矿薄膜的退火过程中使用挥发性铵添加剂，触发了材料的"相重构"过程，成功去除了导致俄歇复合加剧的低维相结构，获得了纯净的三维钙钛矿结构。这一创新方法不仅大幅提升了载流子保持效率，还避免了额外的光学损耗。

俄歇复合难题的技术突破

俄歇复合是半导体激光器面临的一个根本性物理挑战。在这个过程中，电子-空穴对复合时释放的能量不是以光子形式发射，而是传递给另一个载流子，导致载流子密度下降而无法维持激光发射所需的粒子数反转状态。这个问题在连续波或长脉冲激光器中尤为严重，因为载流子注入时间尺度与俄歇寿命相近或更长。

钙钛矿材料的俄歇复合问题特别突出，主要源于其复杂的多维相结构。在传统制备工艺中，钙钛矿薄膜往往包含多种维度的相结构，包括三维主体相和各种低维相。这些低维相虽然可能具有某些有益特性，但在激光应用中却成为载流子损失的主要通道，显著加速了俄歇复合过程。

研究团队深入分析了不同泵浦条件下电子和空穴的复合机制，发现通过精确控制材料的相组成可以有效抑制俄歇复合。他们开发的铵添加剂方法能够在退火过程中选择性地去除低维相，保留纯净的三维钙钛矿结构，从而大幅降低俄歇复合速率。

具体而言，这种挥发性铵添加剂在加热过程中会与低维相发生特定的化学反应，促使这些有害相结构分解或转化，最终形成高质量的三维钙钛矿薄膜。这个过程不需要复杂的设备或苛刻的工艺条件，具有良好的可重现性和工业化应用前景。

创纪录的激光器性能表现

基于优化后的钙钛矿薄膜，研究团队制造出了性能卓越的单模垂直腔面发射激光器。在准连续纳秒泵浦条件下，该激光器展现出了令人瞩目的性能指标：激光阈值低至17.3微焦耳每平方厘米，品质因数高达3850，这些数值均创下了钙钛矿激光器的新纪录。

激光阈值的显著降低意味着器件可以在更低的功耗下实现激光发射，这对于便携式和集成化应用具有重要意义。同时，高品质因数表明激光器具有出色的光谱纯度和稳定性，满足了高精度光通信和传感应用的严格要求。

更重要的是，这些性能是在准连续工作模式下实现的，这标志着钙钛矿激光器向实际应用迈出了关键一步。准连续模式的成功运行证明了俄歇复合问题的有效解决，为进一步实现真正的连续波激光器奠定了坚实基础。

实验结果还显示，优化后的激光器具有良好的热稳定性和长期可靠性。在室温环境下，器件能够维持稳定的激光输出，这对于实际应用中的器件可靠性至关重要。研究团队通过系统的表征测试确认了激光器在各种工作条件下的一致性能表现。

光子集成芯片的广阔前景

这项技术突破的意义远超单一器件的性能提升，它为整个光子集成技术领域开辟了新的发展路径。硅光子学作为下一代信息技术的核心，一直受限于激光器集成的技术瓶颈。传统的III-V族半导体激光器虽然性能优异，但与硅工艺的兼容性差，集成成本高昂。

钙钛矿激光器的成功为解决这一难题提供了全新方案。钙钛矿材料可以通过溶液法在低温下制备，与硅基CMOS工艺高度兼容，且制造成本显著低于传统方法。这意味着未来可以在单一硅芯片上集成激光器、波导、调制器、探测器等各种光子器件，实现真正的片上光学系统。

在数据中心和高性能计算领域，这种集成化的光子芯片将带来革命性改变。当前的电子互连技术在带宽、功耗和延迟方面都面临物理极限，而光子互连可以提供更高的数据传输速率和更低的功耗。钙钛矿激光器的突破使得大规模、低成本的光子互连成为可能。

通信网络也将从中受益。5G和未来6G网络对高速、低延迟通信的需求不断增长，钙钛矿激光器可以为小型化、低功耗的光通信模块提供关键器件支持。特别是在边缘计算和物联网应用中，这种技术优势将更加明显。

产业化挑战与发展机遇

尽管取得了重要突破,钙钛矿激光器要实现大规模产业化仍面临多项挑战。首先是长期稳定性问题。虽然实验室条件下的性能表现优异,但在复杂的实际应用环境中,器件的长期可靠性还需要进一步验证和优化。钙钛矿材料对湿度、温度等环境因素较为敏感,需要开发有效的封装和保护技术。

其次是制备工艺的规模化和一致性控制。实验室小批量制备的成功并不意味着大规模生产的技术成熟。工业化生产需要解决材料均匀性、工艺重现性、良品率等一系列问题。特别是铵添加剂的精确控制和相重构过程的标准化,需要进一步的工程优化。

电驱动激光器的实现是另一个重要挑战。目前的研究主要集中在光泵浦激光器上,而实际应用中更需要电驱动器件。这需要解决载流子注入效率、电极设计、热管理等技术问题。研究团队正在向这个目标努力,相关工作已经显示出积极进展。

然而,挑战的同时也蕴含着巨大的市场机遇。全球光子器件市场规模超过千亿美元,并且快速增长。钙钛矿激光器技术的成熟将为中国在这一战略性产业中占据领先地位提供重要机遇。特别是在硅光子集成、激光显示、生物医学等应用领域,钙钛矿技术具有独特优势。

浙江大学的这项研究成果不仅在学术上具有重要价值,也为产业界提供了清晰的技术路线图。随着相关技术的不断完善和产业化程度的提高,钙钛矿激光器有望在未来几年内从实验室走向市场,推动光电子产业的新一轮技术革命。

这一突破再次证明了材料科学创新对推动技术进步的关键作用。通过对材料微观结构的精确调控,研究人员成功解决了限制器件性能的根本问题,为整个领域的发展注入了新的活力。

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