铅卤钙钛矿材料具有较高的光吸收系数、载流子迁移率、电荷扩散长度，及较低的缺陷态浓度等优异的光电性质，可用于激光器，发光二极管和光电探测器等。其中通过溶液旋涂法制备的钙钛矿薄膜被广泛应用于各类光电器件。然而薄膜钙钛矿存在高密度的晶界，这会导致较高的缺陷态密度，引起更多的无辐射复合并影响载流子寿命，从而导致器件性能变差。单晶钙钛矿相比于多晶钙钛矿具有更少的缺陷浓度，更大的载流子迁移率，可以进一步提高器件性能。目前，大面积且具有高光学增益的单晶钙钛矿薄膜的制备仍然存在挑战。
近日，国家纳米科学中心刘新风与北京大学胡小永及张青课题组合作，实现了在c面蓝宝石衬底上制备大面积CsPbBr3单晶薄膜。相关研究成果发表在ACS Nano上（ACS Nano 2020, 14, 11, 15605）。
该研究中通过调控气相外延生长温度和底物浓度实现了大面积CsPbBr3单晶薄膜的生长。其形貌和结构表征（图1）表明该薄膜具有高的结晶质量和低的缺陷密度。同时分析了该单晶薄膜的光学增益性能,其自发放大辐射阈值为8 μJ cm-2;光学增益系数最大可达1255±160 cm-1。进一步利用聚焦离子束（focused ion beam, FIB）刻蚀技术将CsPbBr3单晶薄膜加工成微米盘阵列，实现了该阵列的激射现象（图2），其激射阈值仅为1.6 μJ cm-2。这些出色的性能预示着CsPbBr3单晶薄膜未来在光学集成中有广泛的应用前景。
国家纳米科学中心联合培养硕士生钟阳光为该研究的第一作者，国家纳米科学中心刘新风研究员，北京大学胡小永教授和张青教授为共同通讯作者。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类），科技部重点研发计划，国家自然科学基金委和低维量子物理重点实验室开放课题等项目的支持。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c06380 。

图1：CsPbBr3单晶薄膜的生长机制，形貌和结构表征图

图2：FIB CsPbBr3微米盘阵列的激射性质
（来源：国家纳米科学中心）