使用高热导率金刚石衬底的高效散热过氧化物激光器

图中显示了拟议的光学泵浦MAPbI3耳语廊模式（WGM）激光器的示意图，该激光器由一个三角形的MAPbI3纳米片、一个SiO2间隙层和一个钻石衬底组成。资料来源：中国科学出版社

过氧化物激光器在从飞秒脉冲激发激光发展到连续波激发激光方面迅速取得了进展，这被认为是走向电激发激光的关键一步。在室温下的连续波激光之后，下一个目标是实现电驱动激光。

在市售的电注入激光器中，传统的外延生长的单晶半导体同时具有大的热导率κ和高的电荷载流子迁移率m，通常在大电流下表现出小的电阻性加热。虽然过氧化物拥有大而平衡的电荷载流子迁移率，但它们受到小κ值的影响。MAPbI3的热导率为1-3 W m-1 K-1，低于GaAs（50 W m-1 K-1）。

因此，通过非辐射途径的能量损失所转化的热量不能有效地消散。这种故障将增加发光阈值，因为载流子在更高的温度下占据了更广泛的能量范围，稀释了任何给定过渡的群体反转以及其他问题，如退化和热诱导缺陷。

分布式反馈（DFB）过氧化物激光器的最低电激发阈值将高达24 mA cm-2。此外，由于用于激光设备的传统包晶石发光二极管结构的高电流注入，在高电流注入条件下，由于焦耳热，外部量子效率将受到显著限制。因此，热量管理是开发基于过氧化物的电驱动激光器的一个瓶颈。

有鉴于此，一组研究人员，包括太原理工大学的李国辉教授、于胜旺教授、崔艳霞教授和隆德大学的郑凯波教授，展示了一种在钻石衬底上的包晶石纳米片激光器，可以有效地消散光学泵浦期间产生的热量。

所展示的激光器的Q因子约为1962，发光阈值为52.19 μJ cm-2。通过在纳米颗粒和钻石基底之间引入一个薄的SiO2间隙层，也实现了严格的光学约束。结构内部的电场分布显示，厚度为200纳米的宽SiO2间隙在金刚石衬底中产生的漏电场明显较少，同时在MAPbI3纳米片中提出了更好的模式约束。

他们通过光学泵浦条件下的温度变化评估了金刚石基底上的过氧化物纳米片激光器的散热情况。通过加入钻石基底，该激光器具有低泵浦密度依赖的温度敏感性（~0.56 ± 0.01 K cm2 μJ-1）。

该灵敏度比以前报道的玻璃衬底上的过氧化物纳米线激光器的数值低一到两个数量级。高热导率的金刚石基底使纳米片激光器能够在高泵浦密度下运行。这项研究可以激发电驱动过氧化物激光器的发展。这项工作发表在《中国材料科学》上。
 

参考资料

Guohui Li et al, Efficient heat dissipation perovskite lasers using a high-thermal-conductivity diamond substrate, Science China Materials (2023). DOI: 10.1007/s40843-022-2355-6