钙钛矿激光器十年发展综述：材料、机制、架构与未来展望
作者与出版信息 本文的作者是Ying Shi, Xinyi Deng, Yusong Gan, Luobing Xu, Qing Zhang* 和 Qihua Xiong*。其中，Ying Shi, Yusong Gan, Luobing Xu 和 Qihua Xiong 来自清华大学低维量子物理国家重点实验室及物理系；Xinyi Deng 和 Qing Zhang 来自北京大学材料科学与工程学院；Qihua Xiong 还同时隶属于量子信息前沿科学中心、量子物质科学协同创新中心以及北京量子信息科学研究院。该综述论文于2025年发表在期刊*Advanced Materials*上（DOI: 10.1002/adma.202413559）。
论文主题 这是一篇关于半导体卤化物钙钛矿激光器在过去十年（2014-2024年）发展历程的全面综述。论文系统性地梳理了该领域的重大进展，涵盖了从材料基础物理特性（如电子结构、载流子行为、光学增益）到多样化激光器架构（如回音壁模式、法布里-珀罗、等离子体激元、连续谱中的束缚态、量子点、极化激元激光器），再到实现连续波泵浦和电驱动激光所面临的挑战与解决方案。文章最后强调了提升稳定性和可扩展性的最新进展，并展望了钙钛矿激光器在显示、光通信、传感和集成光子学等领域的应用潜力及未来研究方向。
主要观点与论述
一、 钙钛矿材料的光学增益与放大机制 钙钛矿材料成为优异激光增益介质的关键在于其独特的光学增益特性。本部分详细阐述了实现光学增益的物理机制以及与之竞争的光学损耗过程。 * 增益机制：光学增益源于粒子数反转，在半导体中表现为导带电子与价带空穴的辐射复合产生多个光子。钙钛矿的高光致发光量子产率、高吸收系数和低缺陷密度是其实现高光学增益的基础。其价带顶部的反键合耦合特性赋予了材料一定的“缺陷容忍度”，使得浅能级缺陷对载流子寿命影响较小，有利于增益的建立。 * 损耗机制：损耗主要分为电子损耗和光学损耗。电子损耗主要指非辐射复合，包括由表面和晶界缺陷引起的陷阱辅助复合，以及在低维系统中尤为显著的多粒子俄歇复合。光学损耗则包括光在传播过程中的再吸收、散射和泄漏。为了获得高性能激光，必须通过材料工程（如表面钝化、成分调控）使光学增益超越这些损耗。研究表明，钙钛矿薄膜的光学增益极限可与单晶GaAs相媲美，实验上已实现高达450 cm⁻¹的增益系数。 * 放大自发辐射：放大自发辐射是激光产生的前兆，它直接反映了材料的本征光学增益能力，无需光学谐振腔。文章回顾了从三维块体钙钛矿到二维、零维（量子点）钙钛矿中ASE的研究历程。例如，在MAPbI₃薄膜中首次观测到ASE，阈值低至12 μJ cm⁻²。在准二维钙钛矿中，独特的能量级联效应（载流子从宽带隙的二维相快速转移到窄带隙的三维相）类似于四能级激光系统，能有效抑制俄歇复合，从而获得更低的ASE阈值。对ASE机制和阈值的深入研究，为设计和优化钙钛矿激光增益介质提供了关键指导。
二、 多样化的钙钛矿激光器架构 钙钛矿材料的可溶液加工性和易成膜特性，使其能够与多种光学谐振腔结构结合，形成各具特色的激光器。本部分按发展脉络和结构特点，分类阐述了主要激光器类型。 * 回音壁模式激光器：利用钙钛矿微米/纳米结构（如微板、微盘、纳米立方体）光滑的边界形成全内反射，光在边界处循环传播获得增益。这种结构天然存在于通过化学气相沉积或溶液法生长的钙钛矿微晶中。2014年，首次在MAPbI₃微板中实现了近红外WGM激光。随后，在全无机CsPbX₃微板中实现了可见光波段可调谐、阈值低至2.2 μJ cm⁻²的激光。通过减小腔体尺寸可实现稳定的单模激光。此外，文章还介绍了基于米氏共振的亚波长纳米激光、利用连续谱中束缚态概念设计的高Q值WGM激光，以及通过应力调控实现激光波长调谐的传感应用示例。 * 法布里-珀罗模式激光器：利用钙钛矿纳米线或微米线两端面作为反射镜，光在轴向形成驻波振荡。这种结构是钙钛矿纳米线激光的典型模式。2015年，在溶液法生长的MAPbI₃纳米线中实现了室温激光，阈值约0.22 μJ cm⁻²。为提高稳定性，后续研究转向了FAPbI₃和全无机CsPbX₃纳米线，后者在环境条件下可承受高达10⁹次激发循环。研究还发现，纳米线FP腔中强烈的光-物质相互作用（激子-极化激元）有助于实现低阈值激光，并在CsPbBr₃纳米线中于77 K下实现了连续波泵浦的激光。 * 垂直腔面发射激光器与分布式反馈激光器：这两种是更接近实用化、易于集成的激光器结构。VCsel将钙钛矿增益介质嵌入在两个分布式布拉格反射镜之间，实现垂直于表面的激光发射，具有发散角小、光束质量高的优点。2014年，首次在DBR-Au腔中嵌入MAPbI₃薄膜实现了激光。后续工作通过优化DBR材料和钙钛矿薄膜质量，实现了单模、高方向性发射。DFB激光器则在钙钛矿薄膜上或相邻介质层中制备周期性光栅结构，通过布拉格衍射提供光学反馈。其优势在于阈值低、模式稳定、波长可通过光栅周期精确调控。2015年首次在纳米压印光栅上的MAPbI₃薄膜中实现了DFB激光。近年来，通过优化光栅设计和采用新型钙钛矿材料（如Dion-Jacobson相），已在室温下实现了低阈值甚至连续波泵浦的DFB激光。 * 等离子体激元激光器：利用金属-介质界面表面等离子体激元的强局域场增强效应，可突破衍射极限，实现纳米尺度的激光器。分为两类：一是等离子体共振增强的光子激光，即利用金属纳米结构增强钙钛矿增益介质的光子激光性能，降低阈值；二是真正的等离子体激元激光，直接放大表面等离子体模式。文章介绍了多种结构，如金属-绝缘体-半导体间隙等离子体结构、金属纳米立方体阵列等。这些结构能将光场限制在极小的模式体积内，显著增强光-物质相互作用，为实现超小型化、低功耗激光器提供了可能。 * 量子点与极化激元激光器：钙钛矿量子点因其优异的单色性和高量子产率，是理想的激光增益介质，可通过组分调控实现从紫外到近红外的宽谱发射。极化激元激光则是一种无需粒子数反转的激光机制，它通过强耦合形成激子-极化激元，并在极化激元凝聚时产生相干发射。这种激光具有阈值低、能耗小的潜在优势。文章指出，在钙钛矿微腔（如WGM腔）中已观察到极化激元凝聚和激光现象，这为研究玻色-爱因斯坦凝聚等基础物理和开发新型低阈值激光器开辟了新途径。
三、 材料工程与稳定性挑战 实现高性能、实用的钙钛矿激光器，材料本身的性能优化和长期稳定性是关键。 * 维度调控：通过控制钙钛矿的维度（3D、2D、1D、0D），可以利用量子限域效应精细调控其带隙、激子结合能和发光特性。例如，2D钙钛矿通过引入长链有机铵阳离子实现层状分离，1D纳米线具有各向异性的波导特性，0D量子点则表现出尺寸依赖的发光。不同的维度适用于不同的激光器架构和应用场景。 * 组分工程：通过调节A位（如MA⁺， FA⁺， Cs⁺）、B位（Pb²⁺， Sn²⁺等）和X位（I⁻， Br⁻， Cl⁻）离子，可以连续调节钙钛矿的带隙、晶体结构和稳定性。例如，混合A位阳离子（如Cs/FA/MA）可以提升相稳定性和发光效率。开发无铅钙钛矿（如锡基）也是应对环境问题的重要方向。 * 稳定性提升策略：钙钛矿激光器面临的主要稳定性挑战包括：1) 结构稳定性：受离子键合影响，易发生相变。可通过计算容忍因子和八面体因子进行预测，并采用低维网络结构、核壳异质结构、表面钝化（如使用孤对电子分子、控制化学计量比、掺杂小阳离子）等策略增强。2) 环境稳定性：对水分、氧气和紫外线敏感。有效的封装技术、与电子受体连接以防止氧化、以及在加工中避免使用极性溶剂是关键。文章强调，激光器工作在高激发密度下，对稳定性的要求比LED或太阳能电池更为严苛，因此需要针对激光应用开发更先进的材料工程和封装技术。
四、 迈向实用化的关键挑战与未来方向 尽管钙钛矿激光器取得了飞速发展，但要实现大规模商业应用，仍需攻克几个核心挑战。 * 连续波泵浦激光：目前绝大多数钙钛矿激光器依赖于脉冲光泵浦，以克服热积累和非辐射复合带来的挑战。实现室温连续波激光是迈向实用化的重要里程碑。已有工作在低温（如77 K）下在CsPbBr₃纳米线或特定DFB结构中实现了CW激光，但室温CW运行仍需在材料热管理、缺陷抑制和腔体设计上取得进一步突破。 * 电驱动激光：电泵浦是实现紧凑、高效集成光源的最终目标。然而，钙钛矿的电致发光器件（如LED）在高电流密度下效率会急剧下降（效率滚降），这主要归因于俄歇复合、焦耳热和离子迁移等问题。实现电泵浦激光需要开发能承受高载流子密度（~kA cm⁻²）的钙钛矿材料和高效率的器件结构，目前仍是该领域最具挑战性的目标之一。 * 可扩展性与集成：将钙钛矿激光器与现有的硅基光子平台或其他光电芯片集成，需要发展兼容、可控的微纳加工技术。模板辅助生长、纳米压印光刻、电子束光刻等自上而下或自下而上的方法已被用于制备图案化的钙钛矿激光阵列和波导结构，展示了在集成光子回路中的应用潜力。
论文的意义与价值 这篇综述系统、全面地梳理了钙钛矿激光器十年来的发展脉络，从基础材料科学到前沿器件物理，从基本原理到各种先进架构，涵盖了该领域几乎所有的关键进展。它不仅是一份详尽的“技术路线图”，总结了已取得的成就（如多种激光架构的实现、低阈值ASE和脉冲激光的普遍达成），更清晰地指明了当前面临的核心挑战（CW泵浦、电驱动、长期稳定性）和未来的研究方向（材料工程、新物理机制探索、集成化）。对于刚进入该领域的研究者，本文提供了绝佳的入门指南和知识框架；对于资深研究人员，本文则提供了全面的技术总结和前瞻性视角。文章强调，通过持续的材料创新、物理机制深入理解和器件工程优化，钙钛矿激光器有潜力在显示、通信、传感和量子信息处理等下一代光子器件中引发革命性变化。