浙江大学，Nature！

米测MeLab

2025-09-10

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

钙钛矿半导体因其卓越的光电性能和成本效益高的溶液加工能力而成为一类新兴的半导体材料。它们在高增益系数、长载流子寿命和可调谐发射波长方面的独特优势，使其成为溶液加工激光器中出色的增益介质，并在光泵浦下实现了波长可调、低阈值的激光。

关键问题

然而，电驱动激光的研究主要存在以下问题：

1、实现电驱动激光仍是一个关键挑战

尽管在光泵浦下已展示了室温连续波激光，但实现电驱动激光仍是一个关键挑战，这将为轻量化、可穿戴和可扩展的光电应用带来潜力，主要是由于难以将强电流注入高质量的钙钛矿谐振腔中。

2、高电流将导致严重的材料降解

高电流会导致严重的材料降解和效率下降，同时，标准的学光学腔设计与钙钛矿器件架构的兼容性较差。

新思路

有鉴于此，浙江大学狄大卫教授、赵保丹教授、邹晨研究员等人展示了一个电驱动的钙钛矿激光器，通过垂直集成低阈值的钙钛矿晶体微腔子单元和高功率微腔钙钛矿LED（PeLED）子单元构建。在脉冲电激励下，双腔钙钛矿器件显示出92 A cm^-2的最小激光阈值（平均阈值：129 A cm⁻²，约22 °C，空气中），这比最先进的电驱动有机激光器低一个数量级。该演示的关键是集成的双腔器件架构，它允许微腔Pe LED子单元向单晶钙钛矿微腔子单元(耦合效率约为82.7 %)提供定向发射以建立激射作用。获得了1.8 h (6.4 × 10⁴ 1z电压脉冲，10 H)的工作半衰期(T₅₀)，优于电泵浦有机激光器的稳定性。双腔钙钛矿激光器可以在36.2 MHz的带宽下实现快速调制，表明其在数据传输和计算应用方面的潜力。

技术方案：

1、介绍了集成的双腔钙钛矿激光器结构

该器件由微腔I和微腔II垂直集成。微腔I的PeLED发光被微腔II的钙钛矿单晶吸收并放大。双腔配置使发射有效耦合，支持激光作用。

2、实现了高功率微腔PeLED亚单元

微腔PeLED亚单元通过减小有效面积抑制高电流密度下EL效率下降，使直流操作下辐射出射度达868 mW cm⁻²，脉冲操作下最大辐射出射度达25.1 W cm⁻²。

3、通过脉冲电激励实现电驱动激光

双腔钙钛矿器件在室温空气下通过脉冲电激励实现激光。双腔架构最低激光阈值92 A cm⁻²，比单腔低4.7倍，源于82.7%的高效腔间耦合。

4、研究了钙钛矿激光器的调制特性

钙钛矿激光器在电脉冲下上升时间5.4 ns，下降时间5.1 ns。其调制速率受限于2 ns的自发辐射寿命，可实现36.2 MHz带宽调制，有望用于数据传输等领域。

技术优势：

1、首次实现了钙钛矿半导体的电驱动激光

本文通过垂直集成低阈值单晶钙钛矿微腔与高功率微腔PeLED的双腔结构，成功克服了长期以来钙钛矿半导体在电驱动激光方面的关键挑战，为溶液加工激光器开辟了新途径。

2、创新的双腔架构实现了优异的性能和稳定性

开发的器件达到了创纪录的低激光阈值和显著提升的运行稳定性，性能远超现有电驱动有机激光器。这得益于双腔架构实现了高达82.7%的高效腔间光耦合以及36.2 MHz的快速调制带宽，展现了其在数据传输和计算应用中的巨大潜力。

技术细节

集成的双腔钙钛矿激光器结构

该器件结构将两个微腔亚单元垂直集成。在工作时，来自第一微腔（微腔I）中PeLED的定向电致发光（EL）被第二微腔（微腔II）中的钙钛矿单晶吸收，该单晶随后支持光放大。微腔I的PeLED亚单元结构包括玻璃/DBR/ITO/ZnO/PEIE/Cs_0.5FA_0.5PbI₂Br钙钛矿/TFB/MoO_x/Au。其中DBR1由SiO₂/TiO₂交替层构成，在约680 nm处具有超过99%的高反射率。微腔II的钙钛矿单晶微腔则由嵌入在两个高反射率DBR（DBR2和DBR3）中的高质量FAPbI₃钙钛矿单晶组成。FAPbI₃单晶典型尺寸约为0.08 mm²，厚度约180 nm，通过原位空间受限逆温结晶法生长，具有高结晶度和立方相。这种双腔配置使得微腔I的发射（峰值约680 nm）能够有效地耦合到微腔II（PL峰值约790 nm），为FAPbI₃单晶的激光作用提供光学功率和反馈机制。DBR3还可阻止微腔I的残余发射逃逸。

图  集成双腔钙钛矿激光器的结构和基本光学特性

高功率微腔PeLED亚单元

为了实现高功率输出，微腔PeLED亚单元（微腔I）通过减小有效面积（从5.25 mm²到0.02 mm²）有效抑制了高电流密度下的EL效率下降。这使得在直流操作下，辐射出射度高达约868 mW cm⁻²；在脉冲操作（1 μs脉冲持续时间，100 Hz重复率）下，器件在2.5 kA cm⁻²电流密度下击穿前，最大辐射出射度可达约2.51×10⁴ mW cm⁻²（约25.1 W cm⁻²），使其成为输出功率密度最高的PeLED之一。与遵循朗伯分布的标准PeLED不同，微腔PeLEDs表现出清晰的腔模角度依赖性，能够将更会聚的发射从微腔I输送到微腔II。这种微腔PeLED亚单元能够将光学功率有效地耦合到第二微腔，是实现激光的关键设计考虑因素。

图  微腔PeLED子单元的特性

电驱动双腔钙钛矿激光器

该双腔钙钛矿器件在室温空气（约22°C）中，通过脉冲电激励实现电驱动激光。当电流密度增加到约119 A cm⁻²时，出现了一个约803 nm的窄发射峰。输出光强度在约92 A cm⁻²的阈值之上急剧增加，同时观察到线宽从约1.03 nm收窄至0.44 nm。激光发射在阈值以上表现出清晰的线性偏振，与激光行为一致，而阈值以下则为非偏振光。远场图像显示，发射光束从弱扩散发光转变为强度定向发射（发散角约3.7°），证实了从自发辐射到激光的转变。在163 A cm⁻²电流密度下，器件的运行半衰期（T₅₀）达到1.8小时（6.4 × 10⁴个脉冲），优于电驱动有机激光器。双腔架构的效率至关重要，其最低激光阈值（92 A cm⁻²）比集成单腔器件（433 A cm⁻²）低约4.7倍，这归因于微腔PeLED亚单元向第二微腔输送了显著更高（4.84倍）的光功率密度，实现了82.7%的高效腔间耦合

图  电驱动双腔钙钛矿激光器的特性研究

钙钛矿激光器的调制特性

该钙钛矿激光器在电脉冲下表现出快速的时间响应，其上升时间（10%-90%）和下降时间（90%-10%）分别为5.4 ns和5.1 ns。这种响应速度主要受限于微腔PeLED亚单元的电阻-电容（RC）常数，因为其在强电流注入下的自发辐射寿命仅约2 ns。该激光器可以以约36.2 MHz的带宽进行快速调制。通过减小有效面积（从0.02 mm²到0.005 mm²）并使用硅衬底，降低了寄生电容，并使得器件能够在接近10³ A cm⁻²的强电流密度下工作，从而实现了这种快速调制性能。该激光器能够在高频率（例如30 MHz）下产生稳定的脉冲序列。目前，微腔PeLED亚单元的自发辐射寿命（约2 ns）将激光器的调制速率限制在亚GHz范围内，这使其有望应用于数据传输和器件互连等领域。

图  电驱动双腔钙钛矿激光器的频率响应

展望

总之，本研究展示了双腔钙钛矿器件的电驱动激光，通过集成低阈值单晶钙钛矿微腔与高功率微腔PeLED，形成垂直堆叠多层结构。在脉冲电激发下，该器件激光阈值低至92 A cm⁻²，比先进有机激光器低一个数量级。双腔结构使激光阈值降低4.7倍，耦合效率达82.7%。其T₅₀寿命为1.8小时，可在36.2 MHz带宽上快速调制，为数据传输等领域提供新光源。

参考文献：

Zou, C., Ren, Z., Hui, K. et al. Electrically driven lasing from a dual-cavity perovskite device. Nature (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09457-2