阅读说明：本技术 一种室温钙钛矿量子点垂直腔面发射激光器及制备方法 (Room-temperature perovskite quantum dot vertical-cavity surface-emitting laser and preparation method thereof ) 是由 陈少强 刘慧敏 赵春虎 翁国恩 胡小波 于 2020-07-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种室温钙钛矿量子点垂直腔面发射激光器及制备方法,涉及激光器技术领域,其制备方法是在两片面积为2cm*2cm的分布布拉格反射镜片之间生长钙钛矿量子点薄膜,并用光学胶黏剂包裹住镜片的周边,形成黏着牢固的三明治结构体。钙钛矿量子点作为一种新型量子点材料,荧光光谱线宽较窄,发光特性优异。本发明采用量子点薄膜作为增益介质,实现一种低阈值高效绿光的垂直腔面发射激光器。本发明提供的方法缩短了量子点在DBR上的生长时间,且生长的薄膜具有较好的发光性能和稳定性,发明提供的方法成本低、步骤简单。(The invention discloses a room temperature perovskite quantum dot vertical cavity surface emitting laser and a preparation method thereof, relating to the technical field of lasers, wherein the preparation method comprises the steps of growing a perovskite quantum dot film between two distributed Bragg reflector lenses with the area of 2cm x 2cm, and wrapping the periphery of the lenses by an optical adhesive to form a firmly adhered sandwich structure body. As a novel quantum dot material, the perovskite quantum dot has narrow fluorescence spectrum line width and excellent luminescence property. The invention adopts the quantum dot film as the gain medium to realize the low-threshold high-efficiency green-light vertical cavity surface emitting laser. The method provided by the invention shortens the growth time of the quantum dots on the DBR, and the grown thin film has better luminous performance and stability.)

一种室温钙钛矿量子点垂直腔面发射激光器及制备方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其是涉及一种室温钙钛矿量子点垂直腔面发射激光器的制备方法和一种垂直腔面发射激光器。

背景技术

当今世界，信息技术产业发展迅猛，信息技术的进步作为衡量一个国家或地区综合实力的重要标志之一刻不容缓，而当今信息技术的发展，离不开半导体材料、光电子材料的不断更新，以及光技术的进步，发展材料和光学技术迫在眉睫。

钙钛矿量子点作为一种新型的量子点材料，其发光波长在可见光波段可调且其荧光光谱线宽窄，荧光量子效率高达90%。激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射激光的器件。微纳结构激光器相比于传统激光器有着很大的优势。通过谐振腔的限制作用，自发辐射能够耦合到激光模式内的比率就会增加，从而使得激光器的阈值能够变得非常低，这将会有助于降低集成光路中的功耗。微纳结构激光器的几何尺寸很小，当其大规模集成时，可以大大降低集成器件的体积和成光吸收系数高以及缺陷容忍度高等特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种室温钙钛矿量子点垂直腔面发射激光器的制备方法，本发明的方法是在两片面积为2cm*2cm的分布布拉格反射镜片之间生长钙钛矿量子点薄膜，并用光学胶黏剂包裹住镜片的周边，形成黏着牢固的三明治结构体。

实现本发明的具体技术方案是：

一种室温钙钛矿量子点垂直腔面发射激光器的制备方法，利用室温下获得钙钛矿量子点作为增益介质，制备了一种低阈值绿光的垂直腔面激光器；该方法包括以下具体步骤：

步骤1：PbBr₂粉末加入无水N,N-二甲基甲酰胺中，磁力搅拌，时间为5min-10min,转速为500r/min，至PbBr₂粉末溶解；其中PbBr₂在N,N-二甲基甲酰胺的摩尔浓度为0.04mol/L；

步骤2：油胺滴入步骤1中的混合溶液中，其中油胺和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1:100，磁力搅拌，时间为1min-2min，转速为500r/min；

步骤3：油酸滴入步骤2中的混合溶液中，其中油酸和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1:10，磁力搅拌，时间为1min-2min,转速为500r/min；

步骤4：CsBr粉末加入步骤3的混合溶液中，其中CsBr与PbBr₂的摩尔比例为1:1，磁力搅拌，直至混合溶液澄清透明，时间为120min-180min；

步骤5：使用移液枪取步骤4中澄清透明的溶液注入磁力搅拌中已预热至60℃的无水甲苯溶液，其中澄清透明溶液和无水甲苯溶液的体积比为1:10；

步骤6：取步骤5的混合液进行离心，离心时间为20-30秒,离心速度为4000rpm，离心结束后，取用沉淀物，加入甲苯溶剂充分溶解沉淀物；

步骤7：待步骤6中的甲苯混合液摇晃均匀后，离心，离心时间为20-30min,转速为8000rpm，离心结束后，取上清液即为钙钛矿量子点溶液；

步骤8：取两片面积为2cm*2cm的分布布拉格反射镜片，依次用无水N,N-二甲基甲酰胺、无水乙醇进行清洗；

步骤9：取出一片已清洗的分布布拉格反射镜片，加热至60℃后，镜片表面滴加钙钛矿量子点溶液，滴加量为3-12uL/cm²,将另一片分布布拉格反射镜片的一面均匀涂抹光学黏胶剂，垂直覆盖在钙钛矿量子点溶液上，组成分布布拉格反射镜片-钙钛矿量子点溶液—分布布拉格反射镜片的三明治结构；

步骤10：光学粘胶剂固化：在三明治结构的四周均匀涂抹光学粘胶剂，包裹住三明治结构的四周；制得所述室温钙钛矿量子点垂直腔面发射激光器。

一种上述方法制得的室温钙钛矿量子点垂直腔面发射激光器。

本发明制备垂直腔面发射激光器的方法可以通过改变卤素的种类进行带隙调整，使激光器的发射波长可调，实现光波段全覆盖。

本发明提供了上述方法所制备的垂直腔面发射激光器。本发明提供的垂直腔面发射激光器稳定性好，发光性能高，可实现室温下低阈值脉冲光泵浦的激射，本发明提供的激光器在室温下脉冲激光泵浦条件下的阈值低至53.28uJ/cm²。

附图说明

图1为本发明垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图2为本发明制备的CsPbBr₃量子点薄膜的XRD图；

图3为本发明制备的CsPbBr₃量子点薄膜的TEM图；

图4为本发明制备的CsPbBr₃量子点薄膜在自由空间的发光光谱和吸收光谱；

图5为制备的CsPbBr₃量子点垂直腔面发射激光器的非线性变化曲线。

具体实施方式

参阅图1、图3，本发明包括无机钙钛矿CsPbBr₃量子点溶液的制备、分布布拉格反射镜片的处理。

本发明中一种室温钙钛矿量子点垂直腔面发射激光器的制备方法步骤如下：

步骤1：PbBr₂粉末加入无水N,N-二甲基甲酰胺中，磁力搅拌，时间为5min-10min,转速为500r/min，至PbBr₂粉末溶解；其中PbBr₂在N,N-二甲基甲酰胺的摩尔浓度为0.04mol/L；

步骤2：油胺滴入步骤1中的混合溶液中，其中油胺和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1:100，磁力搅拌，时间为1min-2min，转速为500r/min；

步骤3：油酸滴入步骤2中的混合溶液中，其中油酸和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1:10，磁力搅拌，时间为1min-2min,转速为500r/min；

步骤4：CsBr粉末加入步骤3的混合溶液中，其中CsBr与PbBr₂的摩尔比例为1:1，磁力搅拌，直至混合溶液澄清透明，时间为120min-180min；

步骤5：取步骤4中澄清透明的溶液快速注入磁力搅拌中已预热至60℃的无水甲苯溶液，其中澄清透明溶液和无水甲苯溶液的体积比为1:10；

步骤6：取步骤5的混合液进行离心，离心时间为20-30秒,离心速度为4000rpm，离心结束后，取用沉淀物，加入甲苯溶剂充分溶解沉淀物；

步骤7：待步骤6中的甲苯混合液摇晃均匀后，离心，离心时间为20-30min,转速为8000rpm，离心结束后，取上清液即为钙钛矿量子点溶液；

步骤8：取两片面积为2cm*2cm的分布布拉格反射镜片，依次用无水N,N-二甲基甲酰胺、无水乙醇进行清洗；

步骤9：取出一片已清洗的分布布拉格反射镜片，加热至60℃后，镜片表面滴加钙钛矿量子点溶液，滴加量为3-12uL/cm²,将另一片分布布拉格反射镜片的一面均匀涂抹光学黏胶剂，垂直覆盖在钙钛矿量子点溶液上，组成分布布拉格反射镜片-钙钛矿量子点溶液—分布布拉格反射镜片的三明治结构；

步骤10：光学粘胶剂固化：在三明治结构的四周均匀涂抹光学粘胶剂，包裹住三明治结构的四周；制得所述室温钙钛矿量子点垂直腔面发射激光器。

实施例1

制备发射波长在540nm左右的绿光钙钛矿垂直腔面发射激光器，选择自由空间发光波长低于540nm的CsPbBr₃量子点薄膜（521nm）作为增益介质。

本发明室温钙钛矿量子点垂直腔面发射激光器的制备方法步骤如下：

（1）配制无机钙钛矿量子点溶液

步骤1：取0.4mmolPbBr₂（纯度99.999%）粉末加入10ml无水N,N-二甲基甲酰胺中，磁力搅拌，时间为5min,转速为500r/min，至PbBr₂粉末溶解；

步骤2：取0.1ml油胺滴入步骤1中的混合溶液中，磁力搅拌，时间为2min，转速为500r/min；

步骤3：取1ml油酸滴入步骤2中的混合溶液中，磁力搅拌，时间为2min，转速为500r/min；

步骤4：取0.4mmolCsBr（纯度99.999%）粉末加入步骤3的混合溶液中，磁力搅拌，直至混合溶液澄清透明，时间为180min；

步骤5：取步骤4中澄清透明的前驱液0.5ml快速注入磁力搅拌中甲苯溶液，甲苯溶液的温度为60℃；

步骤6：离心步骤5中的2ml甲苯混合液，离心时间为25秒,离心速度为4000rpm,离心结束后，取沉淀物，加入2ml甲苯溶剂，摇晃离心管，直至沉淀充分溶解；

步骤7：待步骤6中的甲苯混合液摇晃均匀后，离心，离心时间为20-30min,转速为8000rpm，离心结束后，取用上清液即为本专利所需的钙钛矿量子点溶液。

（2）清洗分布布拉格反射镜片

步骤1：取两片面积为2cm*2cm的分布布拉格反射镜片，依次用无水N,N-二甲基甲酰胺、无水乙醇进行清洗。

（3）室温钙钛矿量子点垂直腔面发射激光器的制备

步骤1：将一片干净的分布布拉格反射镜片在加热台预热，温度为60℃，时间为10min；

步骤2： 从已经过清洗的分布布拉格反射镜片的取出一片，加热至60℃后，镜片表面滴加钙钛矿量子点溶液，滴加量为3-12uL/cm²,将另一片分布布拉格反射镜片的一面均匀涂抹光学黏胶剂，垂直覆盖在钙钛矿量子点溶液上，整个架构组成分布布拉格反射镜片-钙钛矿量子点溶液—分布布拉格反射镜片的三明治结构；

步骤3：光学粘胶剂固化，得到以CsPbBr₃量子点薄膜为增益介质，两块分布布拉格反射镜为谐振腔的绿光垂直腔面发射激光器。

图2为CsPbBr₃量子点薄膜的XRD图，从图中可以看出量子点的晶格为立方相结构，波形较尖锐，衍射峰半高宽较小。

图3为CsPbBr₃量子点薄膜的TEM图中，条纹间距为0.127nm。

图4为本发明制备的CsPbBr₃量子点薄膜在自由空间的发射光谱和吸收光谱。

实施例2

参阅图1、图5，本发明中激光器在室温下，400nm脉冲激光作为激发光源，测试所制备的CsPbBr₃垂直腔面发射激光器的发射光谱。

图5是本发光强度对波长的积分与激发功率的关系曲线，当激发光的功率达到7.2uw的时候，发光强度显著增强，此时通过室温法制备的QD VSEL的激光阈值为53.28uJ/cm²。