北京大學張青教授Nano Lett.：有機-無機雜化鈣鈦礦納米線中的表面等離激元增強光子-激子強耦合

【引言】

在半導體微腔中，當激子與微腔光子之間的相互作用強度大于激子本身的和微腔光子的耗散速率時，即所謂的“強耦合狀態”，形成激子極化激元。激子極化激元為研究宏觀量子電動力學，如玻色-愛因斯坦凝聚與超流體效應等提供了一個理想的平臺，在低閾值激光、慢光、非線性光學領域具有廣闊的應用前景。1992年，人們通過將GaAs量子阱夾在兩片分布式布拉格反射鏡內，在5K下實現激子-光子強耦合效應，觀測到拉比劈裂和激子極化激元。隨后，科學家們相繼在純無機II/VI和III/V族化合物半導體（ZnO，GaN等）、有機半導體及新型硫族過渡金屬化合物中實現了激子極化激元。然而，由于無機半導體激子結合能較低，激子極化激元效應大部分是在低溫、紫外區域或者采用昂貴、制作工藝復雜的分布式布拉格反射鏡才得以實現。盡管有機半導體中Frenkel激子振蕩強度較高，但其材料本身的晶格缺陷和弱非線性效應阻礙了其進一步實現極化激元凝聚效應。鉛鹵鈣鈦礦材料結合了有機和無機材料的優點，為實現多功能、低成本的激子極化激元和極化激元激射提供一個良好的平臺。自2017年，人們相繼在CsPbCl₃薄膜、CH₃NH₃PbBr₃（MAPbBr₃）及CsPbBr₃納米線等結構中觀測到極化激元效應。近日，有學者利用金屬表面等離激元結構有效地增強了MAPbBr₃納米線中的光子-激子強耦合作用，使其光子-激子耦合強度顯著高于其他有機與無機半導體材料。

【成果簡介】

近日，北京大學張青教授、國家納米科學中心劉新風教授和南洋理工大學熊啟華教授 (共同通訊作者)等人在Nano Lett.上發表了關于鈣鈦礦納米線的文章，題為“Surface Plasmon Enhanced Strong Exciton–Photon Coupling in Hybrid Inorganic–Organic Perovskite Nanowires”。作者通過引入金屬-絕緣體-半導體雜化等離激元共振腔，以增強鹵化鉛鈣鈦礦中的激子-光子強相互作用。研究結果表明，在室溫下的MAPbBr₃納米線/ SiO₂/Ag表面等離激元混合微腔體系中觀測到激子極化激元的反交叉現象，拉比劈裂能量高達564 meV。與單獨的納米線相比，MAPbBr₃納米線/SiO₂/Ag混合微腔體系的光子-激子耦合強度平均提高約35％，這主要歸因于表面等離子激元誘導的強局域電磁場及其對激發場的場分布調制。此外，作者進一步研究了SiO₂厚度和納米線尺寸和光子-激子相互作用強度之間的依賴關系。本文為實現光子-激子極高耦合強度提供了新途徑，并為推動電泵浦和超低閾值小激光器的發展提供了幫助。

【圖片導讀】

圖1 MAPbBr₃納米線-SiO₂-Ag表面等離激元混合微腔結構及強耦合示意圖

(a) NW微腔中激子和光子強耦合的示意圖；

(b)表面等離激元混合微腔結構的示意圖；

(c) 掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；

(d)表面等離激元混合微腔中計算出的電磁（EM）場分布。

圖2 位于玻璃和SiO₂/Ag襯底上MAPbBr₃ 納米線中的室溫激子極化激元的探測

(a, d) 自研制的用于探測納米線微腔激子極化激元的空間角分辨共焦系統示意圖；

(b, e) 在P1和P2處檢測到的玻璃和5 nm SiO₂/Ag襯底上納米線的光致發光譜；

(c, f) 納米線長軸方向上的能量波矢量（E-k）色散曲線實驗值（點）和基于激子激化子激元模型計算的理論值（線）。

圖3 SiO2/Ag襯底上的光學與表面等離激元模式及場強分析

(a) 在玻璃襯底上納米線微腔中的HE11光子模式（上部）和納米線/SiO₂/Ag表面等離激元混合微腔結構（下部）的表面等離激元基模的二維投影；

(b) 在玻璃（左）和5 nm SiO₂/Ag（右）襯底上分別對于550 nm寬的納米線中 HE11傳播模式的橫截面圖；

(c)在玻璃襯底上（左）和5 nm SiO₂/Ag（右）襯底上的寬度為550 nm的納米線內部及附近的電場分布。

圖4 表面等離激元混合微腔中光子-激子耦合強度與SiO2厚度依賴關系

(a)位于SiO₂/Ag襯底上的納米線的激子極化激元E-k色散曲線隨著SiO₂厚度的變化；

(b) (a)中所示納米線的有效背景介電常數ε'b和橫向共振能量ET；

(c) 納米線的拉比劈裂能與SiO₂厚度的理論（曲線）和實驗值（點）；

(d) 納米線的時間分辨PL光譜。

圖5 光子-激子耦合強度與納米線尺寸的依賴關系

(a-c) 在5 nm SiO₂/Ag和玻璃襯底上納米線的激子極化激元 E-k色散曲線；

(d) 激子極化激元的拉比劈裂能與納米線的有效模式體積依賴性;

(e) 玻璃和5 nm SiO₂/Ag基底上群折射率。

【小結】

本文介紹了無機-有機雜化鈣鈦礦納米線中的表面等離激元增強的激子-光子強耦合效應。與SiO₂/Ag薄膜耦合的MAPbBr₃ 納米線表現出約564 meV的拉比劈裂強度。超強的光子-激子耦合效應歸因于以下三個原因：（1）MAPbBr₃自身具有高的激子振蕩強度; （2）納米線提供了良好的光子模式限域; （3）表面等離激元激發的電磁場作為真空場，有效提高了納米線內的振子密度。此外，耦合強度的提高也會降低群速度，這對于非線性光學和量子光學中的慢光應用非常有啟發。該研究結果推動了室溫超低閾極化激元激光器和非線性光學器件的發展。

文獻鏈接：Surface Plasmon Enhanced Strong Exciton–Photon Coupling in Hybrid Inorganic–Organic Perovskite Nanowires (Nano Lett., 10 May, 2018 , DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04847)

相關前期工作鏈接：
1. Q. Zhang et al., “Room-temperature near-infrared high-Q perovskite whispering-gallery planar nanolasers”, Nano Lett. 14, 5995-6001 (2014)
2. Q. Zhang et al., “High quality whispering-gallery-mode lasing from cesium lead halide perovskite nanoplatelets”, Adv. Funct. Mater. 26, 6238-6245 (2016)
3. R. Su et al., “Room-temperature polariton lasing in all-inorganic perovskite nanoplatelets”, Nano Lett. 17, 3982–3988 (2017)
4. W.N. Du et al., “Strong exciton–photon coupling and lasing behavior in all-inorganic CsPbBr3 micro/nanowire Fabry-Pérot cavity”, ACS Photonics 5, 2051–2059 (2018)

本文由材料人編輯部納米學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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