隨著光通訊技術以及半導體製程技術的不斷進步，光電元件微型化逐漸成為光電領域中重要的研究議題，其中在光電產業中佔有一席之地的雷射元件無疑首當其衝。如何將雷射尺寸縮小? 如何降低雷射運作的耗能?或是如何開發雷射新的工作機制來突破傳統雷射的極限? 這些皆成為了當前科學家研究的關鍵議題。

　　最近中央研究院應用科學研究中心呂宥蓉助研究員在中研院前瞻計畫及科技部計畫的支持下，帶領其合作研究團隊成功地利用CsPbBr₃全無機鉛鹵素鈣鈦礦單一量子點打造具有超低耗能的奈米雷射，並打破了限制雷射尺寸的光學繞射極限。具有全球最小記錄的模態體積~0.002λ³。此研究成果發表於美國化學學會的奈米技術期刊ACS Nano，同時獲選為期刊封面故事。藉由結合高效率的增益介質及高強度的共振模態，成功實現了可連續光激發之量子點奈米雷射，並在120 K溫度下具有極低的雷射閥值(1.9 W/cm²)。此外，由雙光子相干性實驗量測出的時間同調性結果也為此量子點奈米雷射的產生提供了決定性的證據。相關研究用於可見光通訊、光運算與量子資訊傳輸之應用。呂助研究員的研究將持續在鈣鈦礦奈米雷射上持續推陳出新，目前正在發展轉換電漿子奈米雷射、電激發奈米雷射以及室溫奈米雷射。

　　近年來隨著光通訊技術以及半導體製程技術的不斷進步，光電元件微型化逐漸成為光電領域中重要的研究議題，其中在光電產業中佔有一席之地的雷射元件無疑首當其衝，如何將雷射尺寸縮小? 如何降低雷射運作的耗能?或是如何開發雷射新的工作機制來突破傳統雷射的極限? 這些皆成為了當前科學家研究的關鍵議題。

　　最近中央研究院應用科學研究中心呂宥蓉助研究員在中研院前瞻計畫及科技部計畫的支持下，帶領其合作研究團隊成功地利用CsPbBr₃全無機鉛鹵素鈣鈦礦單一量子點打造具有超低耗能的奈米雷射，並打破了限制雷射尺寸的光學繞射極限。具有全球最小記錄的模態體積~0.002 λ³。此研究成果發表於美國化學學會的奈米技術期刊ACS Nano，同時獲選為期刊封面故事。

用單顆鈣鈦礦量子點做成的低耗能電漿子奈米雷射
 

　　鉛鹵素鈣鈦礦材料基於其優異的光學特性以及可在溶液中簡單合成的特點，成為近期廣泛被應用為雷射增益介質。然而，現階段的鈣鈦礦雷射研究因模態體積過大，造成雷射起始閥值過高，因此在應用上受到不少限制。此研究的第一作者國立清華大學材料系博士生謝佑宏，他們結合CsPbBr₃鈣鈦礦量子點與奈米電漿子共振腔，激發具極高增益強度的電漿子間隙模態(gap plasmon)，成功做出一個具有超低耗能的奈米雷射。

鈣鈦礦量子點奈米雷射的光譜特性、時間同調性量測與電磁場模擬說明奈米雷射產生之機制。

　　此奈米雷射元件組成為在金膜上鍍一層僅5奈米厚的氧化鋁介電層，放上鈣鈦礦量子點做為光增益介質，最後放上銀奈米方塊使兩金屬間形成具極高增益強度的電漿子間隙模態共振腔，見圖二(a)和(e)，此共振腔不同於傳統射的光學共振腔，其能量是以表面電漿共振的型態存在故不受光學繞射極限的限制，進而大幅縮小雷射體積並降低雷射閾值。鈣鈦礦量子點的良好材料結晶性，見圖二(c)，也大幅降低其非輻射複合之機率，使其成為高效率的發光源。藉由結合高效率的增益介質及高強度的共振模態，成功實現可連續光激發之量子點奈米雷射，並在120K溫度下具有極低的雷射閥值(1.9 W/cm²⁾，如圖二(b)。此外，由雙光子相干性實驗量測出的時間同調性也為此量子點奈米雷射的形成提供了決定性的證據，如圖二(f)。

　　而此雷射可連續光激發的特性也揭示了做電激發的可行性。此外，鈣鈦礦量子點的發光光譜可調性使此奈米雷射亦可做全彩奈米雷射，擴展在光電產業上的廣泛應用。量子點奈米雷射的突破不僅為雷射微型化提供有力的途徑，更促進下世代微晶片級的電漿子積體電路(0n-chip plasmonic circuit)的發展。相關研究用於可見光通訊、光運算與量子資訊傳輸之應用。呂助研究員的研究將持續在鈣鈦礦奈米雷射上持續推陳出新，目前正在發展上轉換電漿子奈米雷射、電激發奈米雷射以及室溫奈米雷射。

更多資訊請見原文: Y-H Hsieh et al., Perovskite Quantum Dot Lasing in a Gap-Plasmon Nanocavity with Ultralow Threshold, ACS Nano 14, 11670–11676 (2020).