谱镭光电Micro-MVIS与Maya2000 Pro共助钙钛矿材料研究
2026-05-27 来源:本站 点击次数:93
谱镭光电Micro-MVIS与Maya2000 Pro共助钙钛矿材料研究，实现极低ASE阈值准二维铅溴钙钛矿半导体
本文亮点：由于混合维度钙钛矿材料的复杂性，影响其ASE阈值的因素尚不明确，这制约了这一新兴研究领域的发展步伐。本文报道了在准二维铅溴钙钛矿半导体中实现了极低的ASE阈值（约2.23 μJ cm⁻²）且具有高稳定性。研究发现，增益系数的提高、俄歇复合的抑制、光场与增益介质之间的有效耦合以及散射损耗的最小化是实现低阈值ASE的关键因素。基于优化后的材料，采用分布式反馈（DFB）光学谐振腔成功演示了低阈值单模钙钛矿激光器，其激光阈值低至0.69 μJ cm-2。[1]
测试设备：光谱数据由杭州谱镭光电技术有限公司的ProSp-Micro-MVIS以及海洋Maya2000 Pro所测得
卤化物钙钛矿是一类新兴的半导体材料，适用于包括太阳能电池、发光二极管、光电探测器和激光器在内的多种应用。准二维钙钛矿中的量子限制效应被报道能够抑制非辐射复合并提高光致发光量子产率。准二维钙钛矿的自发辐射放大通常表现出约 10 μJ cm−2的低阈值，并且在光泵浦下具有约 108 次脉冲的长工作半衰期。
这项工作报道了在飞秒激光泵浦下准二维钙钛矿中实现的低阈值且稳定的受激布里渊散射（ASE）。该 ASE 表现出约 2.23 μJ cm-2的超低阈值、778.9 cm-1的高增益系数以及在室温空气环境中约 1.2×10⁹ 次脉冲的长工作寿命（T90）。
本文制备了具有混合基体组分的准二维钙钛矿样品，其组成为 p-FPEA₂Csₙ₋₁PbₙBr₃ₙ₊₁。采用简单的一步旋涂法，从前驱体溶液（将对氟苯乙胺溴（p-FPEABr）、溴化铯（CsBr）和溴化铅（PbBr₂）溶解于二甲基亚砜（DMSO）中制得）进行制备，随后进行氯苯（CB）反溶剂处理和热退火以形成发光钙钛矿（图a）。样品的吸收光谱（图b）在 405、436、463、482 nm 处出现峰，分别对应 n = 1、2、3、4 的低维相⁴¹。随着 x 值的增加，与低维相相关的光谱成分减少⁴²。在环境条件下，通过光泵浦（400 nm，270 fs，50 kHz）对不同 x 值的样品观测到了室温 ASE（放大自发辐射）（图c）。在较低的激发通量（<3.5 μJ cm⁻²）下，对于 x = 9 的样品，可以观测到中心位于 520 nm、半高全宽（fwhm）约为 25 nm 的宽谱自发辐射（SE）。当通量高于 3.6 μJ cm⁻² 时，出现了一个位于 535 nm、半高全宽为 4 nm 的较窄发射峰（图1d）。本文观察到当泵浦通量超过 3.57 μJ cm⁻² 时，发射强度急剧增加且线宽显著变窄，这表明在阈值处发生了从 SE 到 ASE 的转变（图e）。
此外，本文基于优化的准二维钙钛矿组分（x = 9，含FAMA）制备了单模激光器，分别采用周期为155 nm和310 nm的一阶和二阶混合分布反馈光栅。泵浦光束照射到一阶DFB区域，以实现面内方向上的横向光反馈和光放大，而样品发射的激光则由二阶光栅区域耦合输出，便于探测和测量（图a）。本文测量了不同泵浦通量下的发射特性（图b）。在阈值0.69 μJ cm⁻²以上时，室温下获得了533 nm处的单模激光峰（图4c）。该峰可用洛伦兹函数拟合，半高宽为0.5 nm。基于公式（图4d）测得激光束的偏振度约为90%。在激光阈值以下，偏振度仅为~5.5%，与自发辐射的非偏振特性一致。发射强度的急剧上升、明确的阈值、线宽窄化以及发射的偏振特性证实了样品的激光行为。该单模钙钛矿激光器的T90寿命约为1.13×10⁸个激光脉冲（重复频率50 kHz下对应约38分钟）。
综上所述，本文展示了准二维铅溴钙钛矿中低阈值且稳定的放大自发辐射，在室温空气中实现了约2.23 μJ cm⁻² 的极低阈值和超过10⁹个脉冲的长工作寿命（T90）。本文样品的整体ASE性能与之前报道的光泵浦钙钛矿材料相当甚至更优。VSL、TA及其他光学实验表明，提高增益和降低损耗对于降低ASE阈值至关重要。高增益系数、低俄歇复合速率、低表面粗糙度以及对光场的高吸收率均有利于降低ASE阈值。本文提出了一个模型，将ASE阈值与这些因素关联起来。此外，本文还制备了单模钙钛矿DFB激光器，其激光阈值低至约0.69 μJ cm⁻²，T90寿命超过10⁸个脉冲。这是脉冲光泵浦下钙钛矿激光器中最低的阈值之一。本文期望这些发现能够阐明用于激光应用的高性能钙钛矿半导体ASE的一些关键设计原则。
文中研究使用的显微系统Micro-MVIS现已更新换代，全新升级的Micro40系列显微光谱测量系统，把透反射、荧光和拉曼光谱测量功能集成到一套显微平台上， 实现显微透反射、显微荧光和显微拉曼光谱的测量。整套系统由显微镜、显微模块、光谱仪和光源等构成。系统可以选装二维电控扫描台， 实现Mapping测量功能。
l 显微荧光光谱测量
l 显微拉曼光谱测量
l 显微透反射光谱测量
l Mapping光谱测量
l 正常显微镜功能
模块化设计：
不同波长的荧光模块、拉曼模块可以选择， 不同的光谱仪和光源可以选择；
全光纤结构：
不同模块之间的信号通过光纤传输， 这对于后期的维护和升级非常有利；
光谱测量范围宽：
根据不同配置，光谱范围可以覆盖250-2500nm;
空间分辨率高：
在100X物镜下， 光谱采集区域可以小到2um;
二维扫描：
可以配二维扫描台， 实现Mappi ng测量功能；
软件功能强大：
软件集成了光谱仪、二维扫描台、CCD相机和光源， 可以做二维扫描光谱测量；软件可以做反射、荧光、拉曼、相对辐射、绝对辐射等光谱测量；操作软件能实现2台不同波段光谱仪的拼接测量；可以做光谱时序图测量；可以做时间－波长－强度（反射率、透过率、辐射强度、拉曼强度、荧光强度等）测量；激光诱导电流LIBC测量；光致量子效率和电致量子效率测量；软件可以在CCD上直接选取扫描区域， 可以方便的在视场中选取某个感兴趣的点，该点在软件控制下，自动移动到光斑照射位置，并进行光谱测量。
调试方便：
整个系统的光路， 客户可以自行调节（通过外部调节）， 使仪器在任何时候都处于最佳状态。
测试示例：
拉曼光谱R6G，浓度10⁻⁷, Si基底，Au Sers增强，532nm激发
荧光光谱：钙钛矿
反射光谱：薄膜样品，二维扫描
MAYA2000PR0高灵敏度光谱仪采用面阵背照式ccD探测器，具有高灵敏度(尤其是紫外波段)、高分辨率特点。MAYA2000PR0在紫外波段能响应到153nm，非常适合弱信号、高光学分辨率、深紫外光(真空紫外光)和紫外-可见光和可见-近红外光波段的光谱检测，如荧光光谱拉曼光谱、气体吸 收测量、紫外信号检测等。
特点：
高灵敏度、高分辨率
紫外响应灵敏，深紫外到153nm
高性价比
可编程微控制器 ，便于OEM设备集成
模块化设计，15种光栅，6种狭缝可选
用户可自己做波长校准
USB接口；无需外接电源
参考文献
1. Xu J, Yang Y, Lai R, Fan Y, Liu S, Zhang G, et al. Low-Threshold Amplified Spontaneous Emission from Quasi-2D Lead–Bromide Perovskites for Lasing Applications. ACS Nano 2025; 19(11):11323-11332.
本文亮点：由于混合维度钙钛矿材料的复杂性，影响其ASE阈值的因素尚不明确，这制约了这一新兴研究领域的发展步伐。本文报道了在准二维铅溴钙钛矿半导体中实现了极低的ASE阈值（约2.23 μJ cm⁻²）且具有高稳定性。研究发现，增益系数的提高、俄歇复合的抑制、光场与增益介质之间的有效耦合以及散射损耗的最小化是实现低阈值ASE的关键因素。基于优化后的材料，采用分布式反馈（DFB）光学谐振腔成功演示了低阈值单模钙钛矿激光器，其激光阈值低至0.69 μJ cm-2。[1]
测试设备：光谱数据由杭州谱镭光电技术有限公司的ProSp-Micro-MVIS以及海洋Maya2000 Pro所测得
卤化物钙钛矿是一类新兴的半导体材料，适用于包括太阳能电池、发光二极管、光电探测器和激光器在内的多种应用。准二维钙钛矿中的量子限制效应被报道能够抑制非辐射复合并提高光致发光量子产率。准二维钙钛矿的自发辐射放大通常表现出约 10 μJ cm−2的低阈值，并且在光泵浦下具有约 108 次脉冲的长工作半衰期。
这项工作报道了在飞秒激光泵浦下准二维钙钛矿中实现的低阈值且稳定的受激布里渊散射（ASE）。该 ASE 表现出约 2.23 μJ cm-2的超低阈值、778.9 cm-1的高增益系数以及在室温空气环境中约 1.2×10⁹ 次脉冲的长工作寿命（T90）。
本文制备了具有混合基体组分的准二维钙钛矿样品，其组成为 p-FPEA₂Csₙ₋₁PbₙBr₃ₙ₊₁。采用简单的一步旋涂法，从前驱体溶液（将对氟苯乙胺溴（p-FPEABr）、溴化铯（CsBr）和溴化铅（PbBr₂）溶解于二甲基亚砜（DMSO）中制得）进行制备，随后进行氯苯（CB）反溶剂处理和热退火以形成发光钙钛矿（图a）。样品的吸收光谱（图b）在 405、436、463、482 nm 处出现峰，分别对应 n = 1、2、3、4 的低维相⁴¹。随着 x 值的增加，与低维相相关的光谱成分减少⁴²。在环境条件下，通过光泵浦（400 nm，270 fs，50 kHz）对不同 x 值的样品观测到了室温 ASE（放大自发辐射）（图c）。在较低的激发通量（<3.5 μJ cm⁻²）下，对于 x = 9 的样品，可以观测到中心位于 520 nm、半高全宽（fwhm）约为 25 nm 的宽谱自发辐射（SE）。当通量高于 3.6 μJ cm⁻² 时，出现了一个位于 535 nm、半高全宽为 4 nm 的较窄发射峰（图1d）。本文观察到当泵浦通量超过 3.57 μJ cm⁻² 时，发射强度急剧增加且线宽显著变窄，这表明在阈值处发生了从 SE 到 ASE 的转变（图e）。此外，本文基于优化的准二维钙钛矿组分（x = 9，含FAMA）制备了单模激光器，分别采用周期为155 nm和310 nm的一阶和二阶混合分布反馈光栅。泵浦光束照射到一阶DFB区域，以实现面内方向上的横向光反馈和光放大，而样品发射的激光则由二阶光栅区域耦合输出，便于探测和测量（图a）。本文测量了不同泵浦通量下的发射特性（图b）。在阈值0.69 μJ cm⁻²以上时，室温下获得了533 nm处的单模激光峰（图4c）。该峰可用洛伦兹函数拟合，半高宽为0.5 nm。基于公式（图4d）测得激光束的偏振度约为90%。在激光阈值以下，偏振度仅为~5.5%，与自发辐射的非偏振特性一致。发射强度的急剧上升、明确的阈值、线宽窄化以及发射的偏振特性证实了样品的激光行为。该单模钙钛矿激光器的T90寿命约为1.13×10⁸个激光脉冲（重复频率50 kHz下对应约38分钟）。综上所述，本文展示了准二维铅溴钙钛矿中低阈值且稳定的放大自发辐射，在室温空气中实现了约2.23 μJ cm⁻² 的极低阈值和超过10⁹个脉冲的长工作寿命（T90）。本文样品的整体ASE性能与之前报道的光泵浦钙钛矿材料相当甚至更优。VSL、TA及其他光学实验表明，提高增益和降低损耗对于降低ASE阈值至关重要。高增益系数、低俄歇复合速率、低表面粗糙度以及对光场的高吸收率均有利于降低ASE阈值。本文提出了一个模型，将ASE阈值与这些因素关联起来。此外，本文还制备了单模钙钛矿DFB激光器，其激光阈值低至约0.69 μJ cm⁻²，T90寿命超过10⁸个脉冲。这是脉冲光泵浦下钙钛矿激光器中最低的阈值之一。本文期望这些发现能够阐明用于激光应用的高性能钙钛矿半导体ASE的一些关键设计原则。
文中研究使用的显微系统Micro-MVIS现已更新换代，全新升级的Micro40系列显微光谱测量系统，把透反射、荧光和拉曼光谱测量功能集成到一套显微平台上， 实现显微透反射、显微荧光和显微拉曼光谱的测量。整套系统由显微镜、显微模块、光谱仪和光源等构成。系统可以选装二维电控扫描台， 实现Mapping测量功能。l 显微荧光光谱测量
l 显微拉曼光谱测量
l 显微透反射光谱测量
l Mapping光谱测量
l 正常显微镜功能
模块化设计：
不同波长的荧光模块、拉曼模块可以选择， 不同的光谱仪和光源可以选择；
全光纤结构：
不同模块之间的信号通过光纤传输， 这对于后期的维护和升级非常有利；
光谱测量范围宽：
根据不同配置，光谱范围可以覆盖250-2500nm;
空间分辨率高：
在100X物镜下， 光谱采集区域可以小到2um;
二维扫描：
可以配二维扫描台， 实现Mappi ng测量功能；
软件功能强大：
软件集成了光谱仪、二维扫描台、CCD相机和光源， 可以做二维扫描光谱测量；软件可以做反射、荧光、拉曼、相对辐射、绝对辐射等光谱测量；操作软件能实现2台不同波段光谱仪的拼接测量；可以做光谱时序图测量；可以做时间－波长－强度（反射率、透过率、辐射强度、拉曼强度、荧光强度等）测量；激光诱导电流LIBC测量；光致量子效率和电致量子效率测量；软件可以在CCD上直接选取扫描区域， 可以方便的在视场中选取某个感兴趣的点，该点在软件控制下，自动移动到光斑照射位置，并进行光谱测量。
调试方便：
整个系统的光路， 客户可以自行调节（通过外部调节）， 使仪器在任何时候都处于最佳状态。
测试示例：
拉曼光谱R6G，浓度10⁻⁷, Si基底，Au Sers增强，532nm激发荧光光谱：钙钛矿反射光谱：薄膜样品，二维扫描 MAYA2000PR0高灵敏度光谱仪采用面阵背照式ccD探测器，具有高灵敏度(尤其是紫外波段)、高分辨率特点。MAYA2000PR0在紫外波段能响应到153nm，非常适合弱信号、高光学分辨率、深紫外光(真空紫外光)和紫外-可见光和可见-近红外光波段的光谱检测，如荧光光谱拉曼光谱、气体吸 收测量、紫外信号检测等。
特点：
高灵敏度、高分辨率
紫外响应灵敏，深紫外到153nm
高性价比
可编程微控制器 ，便于OEM设备集成
模块化设计，15种光栅，6种狭缝可选
用户可自己做波长校准
USB接口；无需外接电源
参考文献
1. Xu J, Yang Y, Lai R, Fan Y, Liu S, Zhang G, et al. Low-Threshold Amplified Spontaneous Emission from Quasi-2D Lead–Bromide Perovskites for Lasing Applications. ACS Nano 2025; 19(11):11323-11332.
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