ACS Nano | 柔性纳米孔阵列上的量子点支持稳定的纳米激光照射

纳米结构晶格为小型相干光源提供了紧凑的平台，但在机械变形下发射稳定性受损。本研究展示了一种柔性纳米激光器，由钙钛矿量子点（QD）薄膜和充满量子点的聚二甲基硅氧烷（PDMS）纳米孔阵列组成，能够在弯曲和拉伸下保持稳定的激光性能，波长和强度稳定。该纳米激光器通过纳米印模和量子点滴铸工艺制造，利用导模共振（GMR）实现 532 纳米激光发射，阈值可达约 15 μJ/^cm²。此外，我们设计了 PDMS 纳米孔阵列（泊松比≈0.5），以确保纳米激光在变形下具有稳定的有效周期和共振波长。因此，纳米激光器在最大 15%的拉伸应变下能保持稳定波长，并在 5%应变下维持超过 1000 个拉伸周期。通过利用纳米激光器的柔韧性和对局部阵列结构的正常发射，展示了±50°范围内的发射方向引导、旋转速率测量和束流角度控制。人脸识别被提议作为灵活稳定纳米激光的潜在应用之一，预计将在人机交互和具身智能场景中更广泛应用。

该研究以题为“Quantum Dots on Flexible Nanohole Arrays Support Stable Nanolasing”发表在ACS Nano上。

图1 

基于波长稳定的柔性纳米激光器的人脸识别系统像素可调谐设计提案。（a）基于量子点纳米孔阵列的多角度发射调谐机制；（b）相机系统中人脸识别像素调谐过程的描述；（c）波长稳定且多角度的柔性纳米激光器演示。

图2 

柔性PDMS-量子点阵列的激光机制。
（a）柔性纳米激光阵列的结构示意图。
（b）导模共振原理图。插图：二维正方晶格的第一布里渊区。
（c）柔性纳米激光阵列的模拟光学能带结构。
（d）透射光谱作为量子点薄膜厚度函数的等高线图。
（e）量子点薄膜厚度为80纳米时（波长λ = 536纳米）的模拟电场分布（上）和相位分布（下）。
（f）无量子点薄膜时（波长λ = 500纳米）的模拟电场分布（上）和相位分布（下）。(E_x²)² 和 Φ(E_x) 的单位分别为 V⁻²m 和 rad。入射光的电场强度为 E₀。充满量子点的孔阵列和量子点薄膜用白色虚线标出。

图3

柔性纳米激光器的制备。
（a）PDMS-量子点阵列的制备流程示意图。
（b）CsPbBr₃ 量子点的透射电子显微镜图像。插图：CsPbBr₃ 量子点溶液的照片。
（c）PDMS 孔阵列的俯视扫描电子显微镜图像。插图：PDMS 孔阵列的照片。
（d）PDMS 孔阵列的原子力显微镜二维图像。
（e）PDMS-量子点阵列的侧视扫描电子显微镜图像。插图：俯视扫描电子显微镜图像。
（f）PDMS-量子点阵列的原子力显微镜二维图像。
（g）PDMS 孔阵列和（h）PDMS-量子点阵列的实测光子能带结构。

PDMS-量子点阵列的激光行为。
（a）激光测量装置示意图。
（b）激光测量装置图像。插图：柔性阵列的宏观光学图像。
（c）在线性坐标下，不同输入泵浦脉冲能量时在法向探测角度收集的发射光谱。插图：激光发射强度随线性偏振器角度变化的函数关系。
（d）输出发射强度和半高全宽随输入泵浦脉冲能量变化的函数关系。
（e）在1.5倍阈值的输入泵浦通量下，激光强度随时间的变化关系。通过取每分钟五组数据对应强度值的平均值，得到样品1−5的平均结果。

图5 

柔性纳米激光阵列的稳定性。
（a）拉伸状态下柔性纳米激光阵列的结构示意图。
（b、c）模拟透射率随Λₓ和Λᵧ的变化。
（d）用于拉伸的金属框架照片。
（e、f）中心波长（λ）和强度随拉伸比变化的曲线。
（g）柔性纳米激光阵列的循环拉伸性能曲线。黑色方块虚线代表激光强度，绿色三角虚线代表中心波长（λ）。右侧图为拉伸比为5%和0%时的示意图。

柔性激光器的功能演示。
（a）激光发射方向可调谐的示意图。
（b）可调谐激光方向的光学装置图像。插图：附着有晶格的球体图像。
（c）峰值发射强度和λ（发射波长）随一维位移变化的函数。曲率半径为12.5毫米。
（d）光信号（强度）随二维位移变化的函数。球体半径同样为12.5毫米。
（e）转速测量示意图。
（f）转速测量中强度随时间变化的函数。
（g）激光束面积测量的光学装置。插图：凸起装置的设置。纸面中心圆直径（毫米）：2, 4, 6, 8。
（h）纸面上激光束面积随凸起高度变化的关系。

总结

研究团队基于钙钛矿量子点与柔性PDMS纳米孔阵列，构建出一种导模共振型柔性激光器。通过精确调控PDMS的泊松比（约0.5），实现了在拉伸过程中正交方向的自补偿形变，从而有效抑制共振波长漂移。实验显示，该激光器在15%拉伸应变及1000次5%循环拉伸后，发射波长仍稳定在532 nm附近，强度无明显衰减。同时，激光阈值低至15 μJ/cm²，展现出优异的发光效率与稳定性。得益于柔性基底的可变形特性，该激光器实现了发射方向的动态调控。通过将器件贴合于柱面或球面，激光出射角度可在±50°范围内连续调谐；通过局部凸起形变，还可精确控制光束发散角。研究团队进一步演示了其在旋转测速与光束整形中的应用，并提出将其用于人脸识别系统的像素可调谐光源，通过改变表面形貌调节激光信号的密度与角度，有望提升识别精度与系统集成度。该工作为柔性光子器件在可穿戴显示、触觉交互及三维重建等场景的实用化奠定了基础。

参考文献：DOI: 10.1021/acsnano.5c20560