北京大学工学院材料科学与工程系张青

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北京大学张青教授Nano Lett.：有机-无机杂化钙钛矿纳米线中的表面等离激元增强光子-激子强耦合

在半导体微腔中，当激子与微腔光子之间的相互作用强度大于激子本身的和微腔光子的耗散速率时，即所谓的“强耦合状态”，形成激子极化激元。激子极化激元为研究宏观量子电动力学，如玻色-爱因斯坦凝聚与超流体效应等提供了一个理想的平台，在低阈值激光、慢光、非线性光学领域具有广阔的应用前景。1992年，人们通过将GaAs量子阱夹在两片分布式布拉格反射镜内，在5K下实现激子-光子强耦合效应，观测到拉比劈裂和激子极化激元。随后，科学家们相继在纯无机II/VI和III/V族化合物半导体（ZnO，GaN等）、有机半导体及新型硫族过渡金属化合物中实现了激子极化激元。然而，由于无机半导体激子结合能较低，激子极化激元效应大部分是在低温、紫外区域或者采用昂贵、制作工艺复杂的分布式布拉格反射镜才得以实现。尽管有机半导体中Frenkel激子振荡强度较高，但其材料本身的晶格缺陷和弱非线性效应阻碍了其进一步实现极化激元凝聚效应。铅卤钙钛矿材料结合了有机和无机材料的优点，为实现多功能、低成本的激子极化激元和极化激元激射提供一个良好的平台。自2017年，人们相继在CsPbCl3薄膜、CH3NH3PbBr3（MAPbBr3）及CsPbBr3纳米线等结构中观测到极化激元效应。近日，有学者利用金属表面等离激元结构有效地增强了MAPbBr3纳米线中的光子-激子强耦合作用，使其光子-激子耦合强度显著高于其他有机与无机半导体材料。

近日，北京大学张青教授、国家纳米科学中心刘新风教授和南洋理工大学熊启华教授 等人在Nano Lett.上发表了关于钙钛矿纳米线的文章，题为“Surface Plasmon Enhanced Strong Exciton–Photon Coupling in Hybrid Inorganic–Organic Perovskite Nanowires”。作者通过引入金属-绝缘体-半导体杂化等离激元共振腔，以增强卤化铅钙钛矿中的激子-光子强相互作用。研究结果表明，在室温下的MAPbBr3纳米线/ SiO2/Ag表面等离激元混合微腔体系中观测到激子极化激元的反交叉现象，拉比劈裂能量高达564 meV。与单独的纳米线相比，MAPbBr3纳米线/SiO2/Ag混合微腔体系的光子-激子耦合强度平均提高约35％，这主要归因于表面等离子激元诱导的强局域电磁场及其对激发场的场分布调制。此外，作者进一步研究了SiO2厚度和纳米线尺寸和光子-激子相互作用强度之间的依赖关系。本文为实现光子-激子极高耦合强度提供了新途径，并为推动电泵浦和超低阈值小激光器的发展提供了帮助。