В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature, учёные продемонстрировали перовскитный лазер с электрическим приводом, используя двухполостную конструкцию. Это позволило решить задачу, которая стояла в этой области более десяти лет.
Команда из Чжэцзянского университета разработала двухполостное лазерное устройство, которое имеет порог генерации на порядок ниже, чем у современных органических лазеров с электрическим приводом, и обеспечивает превосходную стабильность работы с возможностями быстрой модуляции.
Комментарий для Phys.org от исследовательской группы
«Реализация перовскитных лазеров с электрическим приводом рассматривается многими исследователями как важнейшая задача в области перовскитной оптоэлектроники», — сказал Чэнь Цзоу, научный сотрудник Чжэцзянского университета и первый автор исследования. «Как исследовательская группа, активно работающая над перовскидными светодиодами и лазерами, мы очень рады решению этой сложной задачи».
Применение перовскитных полупроводников в лазерной технике
Перовскитные полупроводники зарекомендовали себя как исключительные материалы для лазерной техники благодаря своим высоким коэффициентам усиления, длительному времени жизни носителей заряда и настраиваемой длине волны излучения.
Хотя эти материалы продемонстрировали впечатляющие характеристики генерации при оптической накачке (когда внешний лазер возбуждает перовскит), электрически управляемая генерация оставалась недостижимой.
«Перовскиты, полученные растворным методом, имеют такие преимущества, как низкая стоимость, простота интеграции с другими материалами, возможность настройки спектра и низкие пороги генерации при оптической накачке, что делает их очень привлекательными лазерными материалами», — пояснил Баодан Чжао, доцент Чжэцзянского университета и соавтор исследования. «Однако для работы этих оптически управляемых перовскитных лазеров требуются внешние источники света, что значительно ограничивает их полезность».
Преодоление фундаментальных барьеров
На уровне материалов формирование высококачественных перовскитных монокристаллов, встроенных в микроструктуры, остаётся основной проблемой. Высокие электрические токи, необходимые для генерации лазерного излучения, приводили к серьёзной деградации материалов и резкому снижению эффективности.
На уровне устройства требовалось решить две критические задачи: улучшение излучательной способности микрополостных перовскидных светодиодных компонентов и максимизация эффективности оптической связи между элементами резонатора.
Подход исследовательской группы
Подход исследовательской группы основан на интегрированной двухполостной архитектуре, которая разделяет функции преобразования электрического сигнала в оптический и оптического усиления между двумя специализированными компонентами.
«Под воздействием электрических импульсов интенсивное направленное излучение от перовскидного светодиода в первой микрополости поглощается перовскитным монокристаллом во второй микрополости, что поддерживает усиление света и последующую генерацию лазерного излучения», — объяснил профессор Давэй Ди, профессор Чжэцзянского университета и соавтор исследования.
Механизм использует тщательную инженерию оптической связи между двумя полостями. Первая микрополость содержит высокомощный перовскидный светодиодный блок, а вторая — низкопороговый монокристаллический перовскитный микрорезонатор.
«Микрополость I отвечает за генерацию интенсивного направленного потока фотонов, который поступает в микрополость II, а микрополость II отвечает за усиление света и генерацию лазерного излучения», — сказал Цзоу.
Архитектурная структура направлена на решение технических задач, связанных с качеством кристаллов и эффективностью оптической связи.
Двухполостная система потребовала разработки двух различных перовскитных компонентов с разными функциями.
Компонент генерации лазерного излучения потребовал выращивания высококачественных монокристаллов иодида свинца-формамидина (FAPbI₃) с использованием пространственно-ограниченной кристаллизации при обратной температуре. Этот метод включает выращивание перовскитного материала в контролируемом пространстве между двумя поверхностями в течение тщательно контролируемого температурного цикла, который длился около двух дней.
Метод позволил получить кристаллы исключительного качества: шероховатость поверхности составила всего 0,7 нм, а оптимизированная толщина — примерно 180 нм.
Для компонента электрической накачки использовался другой состав перовскита, Cs₀.₅FA₀.₅PbI₂Br, изготовленный в виде светодиода высокой мощности методом растворной обработки.
Оба компонента были размещены между распределёнными отражателями Брэгга с тщательно разработанными оптическими свойствами для максимизации световой связи между полостями.
«Эффективность оптической связи между двумя микрополостями была улучшена до 82,7% за счёт уменьшения расходимости излучения из микрополости I и расстояния связи между двумя микрополостями», — сказал Чжао.
Это оказалось критически важным. Сравнительные исследования показали, что двухполостная конструкция позволила снизить порог генерации в 4,7 раза по сравнению с однополостной конструкцией.
Устройство достигло заметных показателей производительности, особенно по порогу генерации, который является мерой плотности тока, необходимой для достижения генерации лазерного излучения. Порог генерации достиг минимума в 92 А/см², при среднем пороге в 129 А/см². Это на порядок лучше, чем у лучших органических лазеров с электрическим приводом.
Помимо низкого порога, перовскитный лазер продемонстрировал эксплуатационный период полураспада в 1,8 часа при импульсном возбуждении (64 000 импульсов напряжения при 10 Гц), что превосходит существующие органические лазеры с электрической накачкой.
«Как первая демонстрация, мы были удивлены периодом полураспада устройства в 1,8 часа», — сказал Ди. «Конечно, с точки зрения применения срок службы считается очень коротким».
Исследователи определили первичными ограничивающими механизмами миграцию ионов под действием электрических полей и джоулев нагрев под действием интенсивных токов.
«Эти проблемы могут быть решены в будущем за счёт улучшения теплоотвода устройств и подавления миграции ионов в перовскитных материалах», — отметил Чжао.
Кроме того, устройство продемонстрировало впечатляющие возможности модуляции, что обеспечило ему быстрое переключение лазера для кодирования цифровой информации во время передачи.
Лазер достиг полосы пропускания в 36,2 МГц, что означает, что он может включаться и выключаться 36,2 миллиона раз в секунду, со временем нарастания и спада в 5,4 и 5,1 наносекунды соответственно. Это говорит о том, что устройство пригодно для применения в оптической передаче данных.
«Перовскитный лазер может быть использован в различных приложениях, таких как оптическая передача данных, когерентный источник света в интегральных фотонных чипах и носимых устройствах», — сказал Цзоу.
Исследователи подчеркнули, что это только начало дальнейшего развития. «Демонстрация перовскитных лазеров с электрическим приводом — это только начало. Переход от интегрированной архитектуры накачки, которую мы используем в настоящее время, к простой структуре лазерного диода может стать потенциальным направлением, поскольку это позволит создавать более компактные и масштабируемые оптоэлектронные приложения», — пояснил Ди.