铋基钙钛矿展现强非线性光学响应，推动全光器件发展
近日，燕山大学与南开大学联合研究团队在无铅钙钛矿非线性光学材料领域取得重要突破。相关成果以《空间自相位调制铋基钙钛矿的强非线性响应及其全光应用》为题，发表于国际知名期刊Laser&PhotonicsReviews（2025,19(8):2401929）。该研究不仅系统揭示了有机–无机杂化铋基钙钛矿在可见光波段的优异三阶非线性光学性能，还成功演示了其在全光开关与全光二极管等关键光子器件中的实际应用潜力。
传统铅基卤化物钙钛矿虽具备卓越的光电特性，但其固有的毒性和环境不稳定性严重制约了其在集成光子学和绿色光电子技术中的广泛应用。为此，研究团队聚焦于以铋（Bi³⁺）替代铅的新型钙钛矿体系。得益于Bi³⁺与Pb²⁺相近的离子半径与电负性，以及其本征的高化学稳定性和低毒性，铋基材料被视为极具前景的环保型非线性光学候选者。
研究中，团队采用冷却诱导结晶法成功合成了零维有机–无机杂化铋基钙钛矿(PPA)₃BiI₆（PPA=3-苯基-2-丙烯-1-铵），产率达44.5%。该材料属三斜晶系（P4空间群），在空气中可稳定存放超过两个月，未见明显降解。实验测得其间接带隙为2.17eV，与密度泛函理论（DFT）计算结果高度一致，表明材料具有良好的能带结构可控性。
尤为引人注目的是，该材料在可见光波段展现出显著的三阶非线性光学响应。通过空间自相位调制（SpatialSelf-PhaseModulation,SPM）技术，在405nm、473nm和532nm波长下均观察到高对比度的同心衍射环，且衍射环数量与入射光强呈良好线性关系。其中，在405nm处测得的三阶非线性磁化率χ⁽³⁾高达1.77×10⁻⁸e.s.u.，显著优于目前已报道的多数无铅钙钛矿体系，甚至可与过渡金属硫化物（如WS₂、MoS₂）等二维非线性材料相媲美。
基于上述优异性能，研究团队进一步开发了两类全光功能原型器件。首先，在全光开关实验中，利用一束控制光调控另一束信号光通过(PPA)₃BiI₆悬浮液时的衍射行为，实现了对信号光相位的有效调制，验证了其在全光逻辑运算与高速光通信中的可行性。其次，通过构建(PPA)₃BiI₆与SnS₂的异质混合结构，成功实现了空间非互易光传播：正向入射光可激发清晰衍射环，而反向入射光因被SnS₂层强烈衰减而无法触发非线性响应，从而构建出一种新型“全光二极管”。该设计无需外加磁场或偏振元件，为实现片上非互易光子器件提供了新思路。
本项工作首次系统阐明了有机–无机杂化铋基钙钛矿在SPM机制下的非线性光学行为，并展示了其在全光信息处理领域的实用价值。研究成果不仅拓展了无铅钙钛矿材料的应用边界，也为未来低功耗、高集成度、环境友好的全光集成芯片研发奠定了重要材料基础。
该研究由燕山大学吴艳玲副教授、李健梅教授与南开大学龙官奎教授共同指导完成，得到了国家自然科学基金及河北省重点研发计划等项目的支持。
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2026-04-07
