《Small Structures》：Strong Exciton–Photon Coupling in Microfluidic Confined Grown 2D Dion–Jacobson Perovskite
编辑推荐：
为解决二维DJ钙钛矿单晶厚度难调控、难以集成于纳米光子结构的问题，研究人员开展了微流控模板限域生长高质量Dion–Jacobson (DJ) 钙钛矿微线研究。通过优化前驱体浓度、溶剂（GBL/DMF）与温度，实现了厚度与形状可控的高质量DJ微线（HEPbI4、DMPAPbI4），并在室温下无需外腔即观测到激子-光子强耦合，为拓扑光子器件提供了新平台。
在追求更高效、更稳定的光电子器件的道路上，二维（2D）有机-无机杂化钙钛矿（PVK）凭借其独特的“自然多量子阱”结构、高振子强度和窄发光线宽，成为了明星材料。特别是其中一类名为Dion–Jacobson（DJ）相的钙钛矿，由于引入了二价有机阳离子，其结构比传统的Ruddlesden–Popper（RP）相更“硬”，层间距离更短，不仅稳定性大增，电荷传输能力也更强。然而，正是这种“硬”和“稳”，给科研人员出了个大难题：传统的机械剥离方法很难精确控制DJ钙钛矿单晶的厚度，导致其难以集成到需要精密尺寸的纳米光子器件中。以往的研究大多只能使用多晶薄膜，其不均匀的发光特性限制了高性能光波导和极化激元器件的开发。
为了解决这一瓶颈，发表在《Small Structures》上的这项研究，提出了一种巧妙的“微流控限域生长”策略。研究团队不再纠结于如何“剥”薄晶体，而是转向如何“长”出形状。他们利用图案化的聚二甲基硅氧烷（PDMS）模板，像“模具”一样引导前驱体溶液在微通道内结晶，成功制备出了厚度、宽度可控的高质量DJ钙钛矿单晶微线。更令人惊喜的是，得益于微线自身完美的界面和光学质量，研究人员在室温下、无需借助任何外部光学微腔，就观察到了激子与光子之间的强耦合现象。这为利用DJ钙钛矿构建低损耗、高集成度的拓扑光子电路开辟了新路径。
关键技术方法
本研究核心技术为微流控模板限域生长法：利用PDMS微通道控制晶体成核与生长，通过优化前驱体浓度（0.35–2 M）、溶剂体系（GBL/DMF）及温度程序（室温/5°C），实现了HEPbI4与DMPAPbI4DJ钙钛矿微线的可控制备；结合XRD与光学表征，验证了晶体质量并观测了室温激子-光子强耦合。
结果与讨论
1. 微流控限域生长与形貌调控
研究人员设计了一套“注模-蒸发-脱模”的流程。他们将含有PVK前驱体的溶液（溶剂为γ-丁内酯GBL或GBL/DMF混合溶剂）滴在PDMS模板的一端，依靠毛细作用填充微通道。在密闭环境下，溶剂缓慢蒸发导致过饱和，晶体开始在玻璃基底上定向生长。10小时后揭去模板，便留下了毫米级长度、表面平整、边缘锐利的单晶微线。通过调控模板尺寸（如高度300 nm至3 μm，宽度6 μm至150 μm）和溶液参数，他们成功制备了不同纵横比的HE和DMPA微线。研究发现，溶剂的选择至关重要——与配位能力过强的DMF或DMSO相比，GBL更有利于形成高质量单晶；而“低温成核+室温生长”的两步法策略，则能有效减少成核点，获得更大尺寸的晶体。
2. 晶体结构与光学性质表征
X射线衍射（XRD）图谱显示，所制备的HE和DMPA微线均具有典型的DJ相层状结构，结晶度极高。光学测量表明，这两种材料在室温下均表现出清晰的激子吸收和发光峰。对于较厚的微线（如3 μm厚HE微线），其自身的高折射率与空气形成的波导结构，足以将光限制在晶体内部，形成有效的光学模式。当这些光学模式的能量与材料的激子能量匹配时，便发生了强烈的相互作用。
3. 室温激子-光子强耦合
在无需外加反射镜构成法布里-珀罗（F–P）微腔的情况下，研究人员直接在高质量的DJ钙钛矿微线中观测到了激子-光子强耦合的迹象。这主要归功于微线自身作为天然光波导的能力，以及DJ钙钛矿本身巨大的激子结合能和优异的非线性光学特性。这种“自腔”效应，使得激子与光子混合形成了新的准粒子——激子-极化激元（Exciton-Polariton），为在单一材料体系中实现低阈值激光和极化激元凝聚提供了可能。
结论与展望
本研究突破了二维DJ钙钛矿单晶难以精确加工的传统困境，通过微流控模板法实现了其厚度与形状的可控生长。所获得的高质量微线不仅结构稳定，更在室温下展现了无需外腔的激子-光子强耦合特性。这一成果将DJ钙钛矿从“块体材料”提升到了“可集成光子构件”的层面，极大地推动了其在微型激光器、光波导以及未来拓扑光子器件中的应用潜力。
