基于高导热金刚石基底的高效散热钙钛矿激光

钙钛矿激光器在飞秒脉冲泵浦激光发展到连续波泵浦激光方面取得了迅速进展，这被认为是迈向电泵浦激光的关键一步。在室温连续波激光之后，下一个目标是实现电泵浦激光。在市售的电注入激光器中，具有大导热系数κ和高载流子迁移率m的传统外延生长单晶半导体通常在大电流下表现出小的电阻加热。虽然钙钛矿具有大而平衡的载流子迁移率，但它们的κ值较小。MAPbI₃的导热系数为1 ~ 3 W m⁻¹ K⁻¹，低于GaAs (50 W m⁻¹ K⁻¹)。因此，通过非辐射途径损失的能量转化为热量不能有效地消散，这将增加激光阈值。分布式反馈(DFB)钙钛矿激光器的最低电激发阈值高达24 mA cm⁻²。此外，用于激光设备的传统钙钛矿发光二极管架构中存在大电流注入，由于焦耳加热，外部量子效率将在大电流注入条件下受到显著限制。因此，热管理是发展钙钛矿电泵浦激光器的瓶颈。

基于此，来自太原理工大学的李国辉副教授、于盛旺教授、崔艳霞教授，隆德大学郑凯波研究员等研究者们展示了一种可以将光泵浦过程中产生的热量高效耗散的金刚石基底钙钛矿纳米片激光。该激光的品质因子高达约1962, 激光阈值为52.19 μJ cm⁻²。通过在纳米片和金刚石基底之间引入一层薄SiO₂间隔层实现紧密的光学束缚。垂直电场分布显示200 nm厚的SiO₂间隔在金刚石基底中产生的泄漏场明显较小，同时在MAPbI₃纳米片中提供了更好的模式约束。他们还研究了在光泵浦条件下，温度变化对钙钛矿纳米片激光器在金刚石基底上的散热性能的影响。受益于金刚石基底，其泵浦能量密度相关温度灵敏度较低(~0.56±0.01 K cm² μJ⁻¹)，该灵敏度比先前报道的玻璃基底上钙钛矿纳米线激光器的灵敏度低了一到两个数量级。结果证实，利用高导热金刚石基底在钙钛矿激光器中实现了高效热管理。该工作有望促进电泵浦钙钛矿激光的发展。这项工作发表于SCIENCE CHINA Materials (https://doi.org/10.1007/s40843-022-2355-6)

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