本文是题为“二维钙钛矿激光研究进展”的综述文章，由黄阳（太原理工大学物理与光电工程学院）、李国辉（太原理工大学物理与光电工程学院及兴县经开区铝镁新材料研发有限公司）、温荣、冯琳、冀婷、郤育莺、崔艳霞（均来自太原理工大学物理与光电工程学院）共同撰写。文章于2022年9月发表于学术期刊“Semiconductor Technology”（《半导体技术》）第47卷第9期。
文章主题与背景 本文系统地综述了二维（2D）及准二维（2D/3D杂化）金属卤化物钙钛矿材料在激光领域的研究进展。作者首先指出，尽管三维（3D）钙钛矿材料因其优异的光电性能（如高荧光量子效率、高光吸收系数和高增益系数）被视为极具潜力的新型激光增益介质，但其在湿度、温度、氧气等环境下的稳定性问题限制了其实际应用。二维钙钛矿材料通过在三维结构中引入大的疏水性有机阳离子，形成了天然的量子阱（Quantum Well, QW）结构，不仅继承了钙钛矿材料高发光效率和溶液法加工的优势，更在环境稳定性方面表现出显著改善，因此成为近年来光电器件领域的研究热点，特别是在发光二极管（LED）和激光器方向。本文旨在详细梳理二维钙钛矿从基础结构、光学性能到放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission, ASE）机制及激光器件研制的完整研究脉络。
文章核心要点阐述
1. 二维钙钛矿的结构、分类与光学性能 文章详细阐释了二维钙钛矿的化学通式 (A’)mA_{n-1}BnX{3n+1}及其层状（准二维）结构。其中，A’为大的有机阳离子（如丁胺BA⁺、苯乙胺PEA⁺），作为绝缘隔离层；A为较小的阳离子（如甲胺MA⁺、甲脒FA⁺、铯Cs⁺）；B为二价金属离子（如Pb²⁺、Sn²⁺）；X为卤素离子；n代表BX₆八面体层的数目（即无机层厚度）。n=1为典型二维结构，n≥2为具有多量子阱（MQW）结构的准二维钙钛矿。这种结构导致了强烈的量子限域效应和介电限域效应，使其激子结合能远高于三维钙钛矿，从而在室温下能形成稳定的激子，有利于辐射复合，实现高荧光量子产率（可超过80%）。
作者将二维钙钛矿的光学性能总结为三点：高荧光量子产率、可调带隙、以及电子-声子耦合。带隙可通过改变无机层厚度（n值）、有机阳离子链长、金属离子或卤素成分进行调节，例如通过改变n值可实现从约2.2 eV到3.7 eV的发光波长连续调控（如图6所示）。文章同时指出，电子-声子耦合是影响载流子复合和非辐射损耗的重要因素，通过优化有机配体可以调控这种相互作用以提升光电性能。
2. 准二维钙钛矿的发光机制：能量转移与放大自发辐射（ASE） 文章的核心论点是，准二维钙钛矿（多量子阱结构）之所以表现出比单一n值（同源）二维钙钛矿更优异的发光性能，关键在于其内部存在的快速、级联式（或称“瀑布式”）能量转移过程。文章引用M. L. Li等人2018年的研究作为关键证据。该研究通过瞬态吸收光谱（如图7和图8所示）观察到，在光激发后，激子首先在带隙较宽的低n值量子阱（如n=2，4）中生成，随后在皮秒（ps）量级的极短时间内，快速转移到带隙较窄的高n值量子阱（n>5）中并积累。这种高效的能量转移在高n值量子阱中迅速建立了粒子数反转，为产生放大自发辐射（ASE）和激光奠定了基础。
文章进一步引述了后续研究，对这种能量转移动力学进行了更深入的探讨。例如，M. H. Cui等人的工作揭示了ASE过程与俄歇复合之间的竞争关系，并指出通过热管理和调控n值可以抑制俄歇复合、降低ASE阈值。J. Guo等人的研究甚至发现，基于这种快速能量转移特性，二维钙钛矿薄膜本身可以用于激光脉冲的倍频。
3. 二维钙钛矿激光的研究进展：同源结构与多量子阱结构 文章将二维钙钛矿激光的研究进展分为两大类进行综述： * 量子阱n值单一（同源）的二维钙钛矿激光：早期研究主要集中在n=1的纯相二维钙钛矿多晶薄膜上，但通常只能在低温（如液氮温度）下实现激光，阈值较高，因为强量子限域效应导致了强烈的俄歇复合和激子-声子耦合。转折点出现在高质量单晶的制备上。例如，C. M. Raghavan等人通过溶液法生长出毫米级（BA)₂(MA)ₙ₋₁PbₙI₃ₙ₊₁（n=1,2,3）单晶，在室温下实现了低至3.72 μJ/cm²阈值的随机激光（如图9所示）。Y. Liang等人的研究则明确了n值的影响，发现n≤2时过强的量子限域效应会阻碍激射，而n=3,4,5的薄片更容易实现激光。 * 具有不同n值量子阱（多量子阱）的二维钙钛矿激光：得益于前述高效的能量转移机制，多量子阱结构的准二维钙钛矿多晶薄膜在室温下实现激光成为可能。研究进展主要体现在两个方面：一是自组装谐振腔结构，如H. H. Zhang等人利用钙钛矿在柔性衬底上的自限制生长，制备了高质量的微环和纳米线阵列，这些微结构自身就构成了回音壁模式（Whispering Gallery Mode）或法布里-珀罗（Fabry-Pérot）谐振腔，实现了室温激光（如图11所示）。二是与外置谐振腔结合，包括垂直腔面发射激光器（VCSEL）结构、分布式反馈（DFB）光栅结构等。例如，Z. Z. Liu等人利用简单的玻璃/钙钛矿薄膜/UV胶水垂直腔结构，实现了高度偏振的单模激光，Q值高达1635（如图12所示）。文章特别强调了溶剂工程对薄膜质量和激光性能的影响，如L. Lei等人证明使用N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂能获得晶向高度一致的薄膜，从而获得更高效的级联能量转移和更低的激光阈值。
4. 实现连续波（CW）激光的关键：三重态激子管理 文章重点介绍了实现室温连续波（CW）激光的重大突破，其关键在于解决了三重态激子的累积问题。C. J. Qin等人的对比研究（如图13和图14所示）发现，虽然(PMA)₂(FA)ₙ₋₁PbₙBr₃ₙ₊₁ （P2F8）和(NMA)₂(FA)ₙ₋₁PbₙBr₃ₙ₊₁ （N2F8）两种准二维钙钛矿结构相似，但激光性能差异巨大。在氮气环境中，P2F8的ASE信号迅速消失，而N2F8则保持稳定。其根本原因在于有机阳离子的三重态能级不同：NMA阳离子的三重态能级较低，使得无机层中产生的三重态激子能通过德克斯特（Dexter）能量转移机制快速转移到有机层，从而避免了其在无机层发光通道中的累积和能量损耗；而PEA阳离子的三重态能级较高，无法有效接收三重态激子，导致其在无机层累积，淬灭了发光。当P2F8处于氧气环境中时，氧气作为三重态激子淬灭剂，清除了累积的三重态激子，ASE得以恢复。这一发现表明，通过精心选择有机阳离子以调控三重态激子的转移路径，是实现高效、稳定连续波激光的关键。基于此原理，研究者成功实现了室温下阈值分别为59 W/cm²和45 W/cm²的连续波激光。
5. 挑战与展望 文章在最后对二维钙钛矿激光领域的发展趋势和挑战进行了展望。首先，当前研究主要集中在Ruddlesden-Popper（RP）相二维钙钛矿，对于Dion-Jacobson（DJ）相和Alternating Cation（ACI）相等其他类型的二维钙钛矿在激光方面的研究尚少。其次，出于环保考虑，需要探索使用无铅（如Sn²⁺）或其他低毒性金属离子的二维钙钛矿体系来实现激光发射。最后，也是最具挑战性的一步，是实现电泵浦（电驱动）激光，这要求解决器件的热管理问题并提高材料在高电流密度下的耐受性。
文章的价值与意义 本文作为一篇全面的综述，其核心价值在于系统性地梳理和总结了二维钙钛矿作为激光增益介质的材料特性、物理机制和器件进展。文章不仅清晰阐述了从材料结构到发光性能的内在联系，更重点剖析了“级联能量转移”和“三重态激子管理”这两个决定其激光性能的关键物理过程，为读者理解该领域的研究逻辑提供了清晰的框架。通过对比同源结构与多量子阱结构、总结不同谐振腔集成方案、并指出实现连续波激光的瓶颈与解决方案，本文为后续研究者指明了材料设计（如有机阳离子选择、n值调控）、工艺优化（如溶剂工程、单晶生长）和器件结构创新的重要方向。文章所强调的稳定性优势和波长可调性（特别是绿色波段），凸显了二维钙钛矿激光在填补半导体激光器“绿色间隙”、推动低成本、可溶液加工激光器在未来显示、通信和传感等领域应用的巨大潜力。