哈工大（深圳）宋清海課題組研究了一種自上而下的半導(dǎo)體加工工藝，可以高效地重復(fù)制備基于有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦材料的光電器件。該工藝有望克服鹵化鉛鈣鈦礦器件大規(guī)模制造和實際應(yīng)用中的最大障礙，有巨大的應(yīng)用潛力。
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近幾年，鹵化鉛鈣鈦礦由于具有極高的吸收系數(shù)，引起了廣泛的關(guān)注。這一材料成為高性能、低成本太陽能電池的新寵。僅僅五年內(nèi)，鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率就從3%提高到了22%以上。這一突破性的進(jìn)展，驅(qū)使著研究人員將鹵化鉛鈣鈦礦應(yīng)用于新的領(lǐng)域中，例如LED、光電探測器、激光器等。作為光源而言，在鈣鈦礦薄膜、多邊形微腔、微米和納米線中，這一材料已經(jīng)展現(xiàn)出了激光和放大式自發(fā)輻射。更有趣的是，這種自發(fā)輻射的激光和光源十分穩(wěn)定，并且顏色是可以調(diào)諧的。他們的外量子效率甚至可以達(dá)到100%。但綜合條件下，鈣鈦礦在光電器件方面的應(yīng)用還并不成熟，對于基于鈣鈦礦這一材料的器件研究還有很長的一段路要走。
事實上，迄今為止，對于鹵化鉛鈣鈦礦這種材料還沒有一個有效且標(biāo)準(zhǔn)化的制備工藝。多數(shù)情況下，合成出的鈣鈦礦微米片或者微米線都有一個隨機(jī)的尺寸分布，在這樣的工藝下，很難重復(fù)性地制備出相同的微型激光器，使它們針對某些特定的應(yīng)用具有預(yù)先設(shè)置的波長或者出射方向。同樣的問題也會束縛這一材料在太陽能電池和光電探測器中的應(yīng)用，尤其是對于集成系統(tǒng)而言。綜上，針對鹵化鉛鈣鈦礦設(shè)備研究出一種成熟且標(biāo)準(zhǔn)化的半導(dǎo)體加工工藝就顯得至關(guān)重要，因為這是大規(guī)模制造和實際應(yīng)用中最大的障礙。
為了克服這一障礙，哈工大（深圳）宋清海課題組研究了一種自上而下的半導(dǎo)體加工工藝，可以高效地重復(fù)制備基于有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦材料的光電器件，該工作發(fā)表在 Advanced Materials [29(15) , 1606205 (2017) ] 上。研究團(tuán)隊通過電子束光刻制備掩膜，然后通過感應(yīng)耦合等離子體刻蝕，將掩膜圖案復(fù)制到單晶鈣鈦礦微米片上，一些通過直接合成很難制備出的結(jié)構(gòu)，例如純圓微腔、變形腔、五角星、大衛(wèi)星等結(jié)構(gòu)，就可以通過這種制備方法得到。
隨后的光學(xué)表征證明了這種新型的制備技術(shù)同樣可以用于制備一些品質(zhì)因子高的高質(zhì)量光電器件，例如微腔激光器。通過測量證明，利用該技術(shù)制備的鈣鈦礦微盤激光器，其閾值處的半峰全寬（FWHM）低至0.11 nm，對應(yīng)的品質(zhì)因子高于5000以上。這一品質(zhì)因子可以和目前記錄的直接合成的鈣鈦礦納米線最高品質(zhì)因子相比擬。
為了證明這一制備技術(shù)的精確度，研究者制備了一批統(tǒng)一規(guī)格的微盤激光器，測量得到完全相同的激光波長和模式間隔，進(jìn)一步確定了新型制備工藝的可重復(fù)性，精度可以控制在幾個納米以內(nèi)。通過該工藝制備的器件，其一系列特殊的性能，例如單向激光出射和破記錄的最高品質(zhì)因子相繼被成功地研制出。
此外，研究者利用這一制備技術(shù)，成功地將鈣鈦礦材料應(yīng)用于生產(chǎn)光電探測器中。其設(shè)計原理是利用納米工程結(jié)構(gòu)，將在自由空間傳輸?shù)牟ㄞD(zhuǎn)化為波導(dǎo)模式，從而極大地提高了光電探測器的開關(guān)性能和探測靈敏度。這些性能的提高充分表明了該技術(shù)工藝在制備鹵化鉛鈣鈦礦光電探測設(shè)備方面的應(yīng)用前景。
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