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      1. 科學研究
        科研成果
        極端光學創新研究團隊實現鈣鈦礦微腔光子學模式的超高空間分辨的實時觀測與操控
        發布日期:2021-05-28瀏覽次數:

        det365娛樂場、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心極端光學創新研究團隊王樹峰副教授和龔旗煌院士等在鈣鈦礦微腔光子學模式研究中取得重要進展,基于光發射電子顯微鏡(PEEM)實現了對單晶鈣鈦礦CsPbBr3(溴鉛銫)微腔光子學模式的實時觀測與操控。

        新型金屬鹵化物鈣鈦礦材料具有高熒光量子產率、低缺陷態密度、低受激發射閾值等優勢,近年來被廣泛應用于微納激光器制備與受激發射機理研究。研究鈣鈦礦微腔的光子學模式,有利于理解腔內光與物質的相互作用、光場傳播與耦合等物理機制,同時也便于進行新型鈣鈦礦光電子器件的設計與優化。

        研究團隊基于飛秒-納米時空分辨光學實驗系統研究了鈣鈦礦表面缺陷態的微觀動力學特性(Nano Letters, 21(7), 2021);近期利用PEEM進一步開展了無機鈣鈦礦CsPbBr3微腔的空間特性研究(圖1(a))。光電子成像系統具有高達10 nm的空間分辨率,可以表征鈣鈦礦微腔表面的光電子分布。研究發現,光電子成像結果與激發光波長(λE)相關:當λE=400 nm時,鈣鈦礦微腔表面的光電子分布均勻,反映了樣品表面形貌特性(圖1(b));在亞禁帶共振光激發(λE=538 nm)條件下,鈣鈦礦微腔表面呈現清晰的干涉模式(圖1(c))。圖1(d)給出了鈣鈦礦微腔表面的干涉模式形成機理,即微腔內傳播的光子學模式與入射光場的干涉結果。

        研究團隊研究了不同激發波長下微腔內的TM模式(橫磁波模式)和TE模式(橫電波模式)。分析表明,干涉周期(kz)與激發光波長符合鈣鈦礦材料的激子極化激元色散關系(色散曲線如圖2所示),可見亞禁帶激發時所觀測到的鈣鈦礦微腔表面干涉模式反映出腔內光子與激子的耦合。通過控制微腔幾何結構和光場極化方向,團隊在微環鈣鈦礦和微盤鈣鈦礦結構中實現了腔內光場模式聚焦的操控與實時觀測(圖3),為研究鈣鈦礦微納結構光物理提供了新的思路和方法。


        圖1  光發射電子顯微成像(a)、鈣鈦礦微腔光電子成像結果(b, c)及光學干涉模式形成機理(d)

        圖2  腔內TM(a)、TE(b)模式色散關系理論分析與實驗結果(紅色散點)

        圖3  鈣鈦礦微腔光學模式控制研究:(a)微環鈣鈦礦掃描電子顯微(SEM)成像圖;(b-c)腔內模式實驗中亞禁帶激發下微環鈣鈦礦光電子成像結果;(d)時域有限差分(FDTD)法數值分析結果;(e)腔內模式實驗與理論數值分析對比;(f-j)對微盤鈣鈦礦微腔的研究結果

        2021年5月13日,相關研究成果以“鈣鈦礦微腔光子學模式的成像與操控”(Imaging and Controlling of Photonic Modes in Perovskite Microcavities)為題,在線發表于《先進材料》(Advanced Materials)。第一作者是det365娛樂場2016級博士研究生劉偉,王樹峰是通訊作者;主要合作者包括人工微結構和介觀物理國家重點實驗室戴倫教授、劉運全教授、呂國偉研究員等。

        上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金國家重大科研儀器設備研制項目、廣東省基礎研究與應用基礎研究重大項目及山西大學極端光學協同創新中心等支持。

        文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202100775


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