卤化物钙钛矿的偏振依赖性飞秒激光纳米结构化及其低阈值激光应用

研究人员针对卤化物钙钛矿（halide perovskites）纳米结构加工中偏振依赖性效应不明确的问题，通过飞秒激光（fs-laser）偏振调控实验与光学模拟，揭示了非对称能量沉积对材料去除形貌的影响，实现了300 nm级特征尺寸的精准加工，并成功制备出齿轮状微盘激光器，为钙钛矿光电器件的可控纳米加工提供了新范式。

　　

卤化物钙钛矿（halide perovskites）因其优异的光电性能和溶液可加工性，成为下一代光子器件的明星材料。然而，如何实现高精度、低损伤的纳米结构化始终是制约其应用的瓶颈。传统热扩散效应会导致加工缺陷，而现有投影光刻技术又面临设备复杂、灵活性不足的挑战。更关键的是，激光偏振对钙钛矿加工的影响机制尚未探明——这一空白直接限制了功能性微纳结构的可控制备。

俄罗斯科学基金会支持的研究团队在《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》发表研究，首次揭示了飞秒激光（fs-laser）偏振与卤化物钙钛矿纳米结构的关联规律。通过结合实验与三维光学模拟，团队发现偏振方向会显著改变材料中吸收能量的空间分布，从而诱导各向异性刻蚀。这一发现不仅实现了300 nm级的加工精度，更指导设计出具有低阈值激光发射的齿轮状微盘，为钙钛矿纳米光子学开辟了新路径。

关键技术方法
研究采用飞秒激光表面扫描技术，通过调控脉冲能量（0.5–3 nJ）和偏振方向（线偏振/圆偏振），在CsPbBr₃
微晶和MAPbBr₃
薄膜上制备纳米结构。利用时域有限差分法（FDTD）模拟激光能量吸收分布，结合扫描电子显微镜（SEM）和光致发光光谱（PL）表征形貌与光学性能。低阈值激光测试采用532 nm脉冲激光泵浦系统。

研究结果

偏振依赖性刻蚀机制
当线偏振激光扫描CsPbBr₃
表面时，平行偏振方向产生延伸的纳米沟槽（长宽比>2），而垂直方向形成近圆形凹坑。FDTD模拟显示，偏振方向会改变表面等离激元（SPP）的传播路径，导致能量在材料内部呈非对称沉积（差异达35%）。这种效应在10⁴
脉冲/点条件下仍保持稳定。

扫描加工优化
通过控制脉冲重叠率（70–90%）和偏振角（0–90°），团队在MAPbBr₃
薄膜上实现了深度均匀（波动<15%）的纳米沟道。关键发现是：当扫描方向与偏振方向呈45°时，可抑制周期性波纹（ripple）形成，获得表面粗糙度<20 nm的平滑结构。

微盘激光器验证
基于偏振调控策略，研究人员加工出直径5 μm的齿轮状MAPbBr₃
微盘。其周期性齿状边缘（齿高300 nm）可增强光场限制，使激光阈值降至3.5 μJ/cm²
，较传统圆盘结构降低42%。PL光谱显示多模激光发射线宽<0.5 nm。

结论与意义
该研究首次建立了飞秒激光偏振与钙钛矿纳米结构的定量关联，阐明非对称能量沉积是形貌调控的核心物理机制。所开发的偏振扫描技术兼具高分辨率（300 nm）与加工自由度，可兼容任意轨迹设计。齿轮状微盘激光器的成功制备，验证了该方法在纳米光子器件（如微激光阵列、超表面）制造中的实用价值。这项工作为钙钛矿与其它低热导材料的激光微纳加工提供了普适性指导原则。