《Optical Materials》：Domain control towards low-threshold quasi-two-dimensional perovskite laser
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Xinyu Duan|Zicheng Li|Tao Man|Zehui Zhou|Chiyu Zhang|Beibei Xu中国浙江省大学光学科学与工程学院极端光子学与仪器国家重点实验室摘要由于具有天然的量子阱结构及载体级联过程，准二维（quasi-2D）钙钛矿在形成粒子数反转方
Xinyu Duan|Zicheng Li|Tao Man|Zehui Zhou|Chiyu Zhang|Beibei Xu
中国浙江省大学光学科学与工程学院极端光子学与仪器国家重点实验室
摘要
由于具有天然的量子阱结构及载体级联过程，准二维（quasi-2D）钙钛矿在形成粒子数反转方面相比三维（3D）钙钛矿具有显著优势。然而，准二维钙钛矿中随机存在的畴结构及其分布会提高激光阈值，从而阻碍了其在连续波（CW）光泵浦和电泵浦激光器中的实际应用。本文采用18-冠-6（18-crown-6）添加剂来调控畴结构，从而影响准二维钙钛矿的结晶过程，增强二维与三维畴之间的能量传递。这一策略使得在可见光及近红外区域实现低阈值自发辐射成为可能，并通过分布式布拉格反射器（distributed Bragg reflector）架构实现了激光输出。这种畴结构控制方法将促进可调谐CW激光器、电泵浦激光器以及高效LED、光电探测器和太阳能电池的发展。
引言
卤化物钙钛矿凭借其低成本、大规模溶液或蒸汽处理的可行性1、高光谱纯度、可调谐的带隙（覆盖紫外至近红外区域）、非外延异质集成能力、灵活性以及强非线性2等优点，在传感3、激光显示4、照明6、成像7、集成光学8、大容量数据存储10、生物标志物11、光动力诊断12、多光子刻蚀13等领域展现出广阔的应用前景。此外，卤化物钙钛矿还能产生商用III-V族半导体激光器无法实现的黄绿色激光，这对光遗传学、信息处理、蛋白质检测141516具有关键意义。因此，开发高性能钙钛矿激光器以满足先进光子学应用的需求迫在眉睫。然而，钙钛矿材料稳定性较差1819，且难以实现连续波（CW）光泵浦2021和电泵浦22，这些因素严重限制了其小型化、集成化及广泛应用。
解决这些问题的一个方法是使用准二维钙钛矿替代三维（3D）钙钛矿，其中的有机成分可阻挡水分和氧的渗透，从而提高材料稳定性232425。此外，准二维钙钛矿中小n相与3D相之间的四能级结构有助于能量在二维与三维畴之间的传递，显著降低激光阈值，有利于实现CW光泵浦和电泵浦激光器2627。然而，准二维钙钛矿中二维、准二维及三维晶畴的随机分布限制了能量与电荷的传输，对 films 的形貌和缺陷产生显著影响2829303132。因此，调控准二维钙钛矿的畴结构至关重要，这不仅有助于实现室温下低阈值、高性能的CW光泵浦激光器，还能提升发光二极管（LED）、光电探测器和太阳能电池的性能333435。
在本研究中，我们通过添加18-冠-6添加剂调控畴结构，成功实现了基于准二维钙钛矿((NMA)2FA3Pb4Br13)的室温激光器。添加18-冠-6后，钙钛矿薄膜的取向和形貌得到改善，能量传递效率提高。借助从n=1能级到3D畴的能量传递机制，实现了低阈值下的放大自发辐射（ASE）及3D畴的分布式布拉格反射器（DBR）激光输出。进一步验证表明，该畴结构控制策略也适用于其他波长的钙钛矿（如近红外区域）。这一方法将推动CW激光器、电泵浦激光器以及LED、光电探测器、太阳能电池的发展。
章节摘要
结果
我们通过旋涂法制备了(NMA)2FA3Pb4Br13（NMA = C10H7CH2NH3+）钙钛矿前驱体，其中一部分前驱体未经18-冠-6处理（SP），另一部分添加了18-冠-6（18Cr6）。18-冠-6的化学结构如图1a所示。在添加18-冠-6的样品中，其用量为PbI2的0.07摩尔比，该浓度下准二维薄膜的ASE阈值最低（见图S3）。如图1b所示，添加18-冠-6后薄膜的光致发光（PL）峰值波长未发生改变
结论
总之，我们通过添加18-冠-6来调控准二维钙钛矿薄膜的畴结构与能量传递，该添加剂可抑制二维和准二维畴的形成，促进三维畴的形成，从而加快能量从二维畴向三维畴的传输，优化四能级结构，实现室温下的低阈值激光输出
方法
**材料**：溴化铅（PbBr2，纯度99.999%）、碘化铅（PbI2，纯度99.999%）、溴化甲脒（FABr，纯度99.9%）、碘化甲脒（FAI，纯度99.9%）、2-苯乙胺氢碘化物（PEAI，纯度99.9%）均购自Advanced Election Technology Co., Ltd.；1-萘甲基胺溴化物（NMABr，纯度99%）购自西安 Polymer Light Technology Corp.；1,4,7,10,13,16-六氧环十八烷（18-冠-6，纯度99%）和氯苯（CB，纯度99.5%）购自Aladdin；N,N-二甲基甲酰胺（DMF，纯度99.8%）购自...
CRediT作者贡献声明
Zicheng Li**：负责形式分析。Tao Man**：负责数据整理。Xinyu Duan**：负责写作、原始稿撰写、方法论制定、形式分析及数据整理、概念构思。Zehui Zhou**：负责方法论设计。Beibei Xu**：负责写作审核与编辑、项目监督及概念构思。Chiyu Zhang**：负责概念构思、数据整理、形式分析、资金申请、实验设计及方法论制定
? 作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务关系/个人关系：Beibei Xu确认获得了浙江大学的财务资助，并在浙江大学任职。若存在其他作者，他们也声明不存在可能影响论文研究的财务利益或个人关系。
本研究得到了浙江省自然科学基金（项目编号：LQ24B030001）、国家自然科学基金（项目编号：62375243）、江苏省基础研究计划（项目编号：BK20240406）以及极端光子学与仪器国家重点实验室开放研究基金的资助。
