2026年7月29日——斯科尔科沃科学技术学院（VEB.RF集团旗下机构）与ITMO大学、高等经济学院的研究人员首次成功演示了基于溶液法制备的卤化物钙钛矿微晶极化激元激光器的直接电泵浦，解决了半导体物理学与光电子学领域一个长期存在的难题。这项成果已发表于《自然》杂志，它解决了这一持续数十年的技术挑战，为低成本、非外延生长、可在连续电流下工作的激光二极管铺平了道路。这类器件在光学传感与光谱分析、高速计算以及高能效神经形态计算等领域具有应用前景。

溶液法半导体中的直接电注入

溶液法制备的半导体（包括有机材料、量子点与金属卤化物钙钛矿）为复杂的外延生长晶体提供了低成本替代方案。然而，利用这类材料制造电驱动激光二极管一直极为困难。在高电流密度下，传统发光二极管结构因严重的热积累而导致材料退化。

为克服这些障碍，斯科尔科沃领导的研究团队利用了激子-极化激元（exciton-polariton）的独特物理特性——这种准粒子是光（光子）与束缚的电子-空穴对（激子）在光学微腔内强耦合产生的。由于极化激元具有玻色子特性，它们可以坍缩成一个宏观量子态（玻色-爱因斯坦凝聚态），并在远低于传统半导体激光器的能量和电荷密度下发射相干激光。

研究人员将溶液生长的钙钛矿微片与薄膜单壁碳纳米管电极集成到高精细度光学微腔中。通过实施专用的两级低温冷却方案，团队控制了可移动离子的空间重新分布，从而形成稳定的冻结p-i-n结二极管。

这种冻结的p-i-n二极管能够在不破坏钙钛矿晶格的情况下实现高效载流子注入。在连续直流电流驱动下，该器件在低至60微安的阈值电流下表现出清晰的极化激元激光发射。

“在溶液法制备的材料中实现直接电泵浦激光发射，是半导体光电子学领域60年来的关键目标之一，”该研究的第一作者、斯科尔科沃光子学系助理教授Anatoly Pushkarev表示，“通过结合化学惰性的碳纳米管电极和钙钛矿晶格中的可移动卤素空位，我们找到了一条可行路径，阻止钙钛矿-电极界面上的非期望反应，并克服热瓶颈。在我们的器件中，载流子注入会在碳纳米管束末端附近的人工物理缺陷处产生高度局域的发光中心。”

“这种物理缺陷为自由激子-极化激元引入了吸引势，从而产生束缚的极化激元，”该文的合著者、斯科尔科沃光子学系高级研究员Stepan Baryshev补充道，“我们清晰地观察到了束缚激子-极化激元凝聚的三个特征：发射强度的非线性增加、谱线宽度的窄化，以及阈值电流以上激光发射的蓝移。”

变革下一代光子技术

与需要复杂且高成本外延生长技术的传统半导体激光二极管不同，溶液法制备的钙钛矿微腔可以通过简单的化学方法制造。此外，极化激元激光器的工作激发密度远低于莫特转变阈值，从而最大限度地降低了功耗和发热。

用电流直接驱动光-物质凝聚态的能力，为多个领域的实际应用打开了具体可能性。这些电驱动器件可用作高速计算的低功耗集成光学互连，也可作为紧凑型片上相干光源用于光学传感和光谱分析，还能实现基于极化激元的高能效神经形态计算和光学逻辑电路。

“这项工作为设计新一代溶液法、电驱动相干光源提供了蓝图，”该研究的首席研究员、斯科尔科沃光子学系混合光子学实验室负责人、杰出教授Pavlos Lagoudakis评论道，“它将基础极化激元物理学与实用的光电器件工程联系起来，为极化激元激光器的实际应用铺平了道路。”