De Peking Universiteit heeft een continue laserbron op basis van perovskiet gerealiseerd met een afmeting kleiner dan 1 vierkante micron.

De Peking Universiteit heeft een perovskiet continu-proces gerealiseerdlaserbronkleiner dan 1 vierkante micron
Het is belangrijk om een ​​continue laserbron te construeren met een apparaatoppervlakte kleiner dan 1 μm² om te voldoen aan de lage energiebehoefte van optische interconnectie op een chip (<10 fJ bit⁻¹). Naarmate de apparaatgrootte echter afneemt, nemen de optische en materiaalverliezen aanzienlijk toe, waardoor het realiseren van submicron-apparaatgroottes en continue optische pomping van laserbronnen een enorme uitdaging vormt. De laatste jaren hebben halide-perovskietmaterialen veel aandacht gekregen op het gebied van continu optisch gepompte lasers vanwege hun hoge optische versterking en unieke exciton-polariton-eigenschappen. De apparaatoppervlakte van de tot nu toe gerapporteerde continue perovskietlaserbronnen is nog steeds groter dan 10 μm², en submicronlaserbronnen vereisen allemaal gepulseerd licht met een hogere pompenergiedichtheid voor stimulatie.

Als reactie op deze uitdaging heeft de onderzoeksgroep van Zhang Qing van de School voor Materiaalwetenschappen en -techniek van de Peking Universiteit met succes hoogwaardige perovskiet-submicron-eenkristallen geproduceerd om continu optisch gepompte laserbronnen te realiseren met een apparaatoppervlakte van slechts 0,65 μm². Tegelijkertijd werd het foton gedetecteerd. Het mechanisme van excitonpolaritonen in het submicron continu optisch gepompte laserproces werd diepgaand begrepen, wat een nieuw perspectief biedt voor de ontwikkeling van kleine halfgeleiderlasers met een lage drempelwaarde. De resultaten van het onderzoek, getiteld "Continuous Wave Pumped Perovskite Lasers with Device Area Below 1 μm2", zijn onlangs gepubliceerd in Advanced Materials.

In dit onderzoek werd een micro-laag van een anorganisch perovskiet CsPbBr3-eenkristal op een saffiersubstraat aangebracht door middel van chemische dampafzetting. Er werd waargenomen dat de sterke koppeling van perovskiet-excitonen met de fotonen van de geluidswandmicroholte bij kamertemperatuur resulteerde in de vorming van excitonische polaritonen. Aan de hand van een reeks bewijzen, zoals de overgang van lineaire naar niet-lineaire emissie-intensiteit, een smalle lijnbreedte, een transformatie van de emissiepolarisatie en een transformatie van de ruimtelijke coherentie bij de drempelwaarde, werd de continue optisch gepompte fluorescentielaser van het submicron-grote CsPbBr3-eenkristal bevestigd, waarbij het oppervlak van het apparaat slechts 0,65 μm² bedraagt. Tegelijkertijd werd vastgesteld dat de drempelwaarde van de submicronlaserbron vergelijkbaar is met die van een laserbron van grotere afmetingen, en zelfs lager kan zijn (Figuur 1).

Figuur 1. Continu optisch gepompt submicron CsPbBr3laserlichtbron

Verder onderzoekt dit werk zowel experimenteel als theoretisch het mechanisme van exciton-gepolariseerde excitonen bij de realisatie van submicron continue laserbronnen. De verbeterde foton-excitonkoppeling in submicron perovskieten resulteert in een significante toename van de groepsbrekingsindex tot ongeveer 80, wat de modusversterking aanzienlijk verhoogt om het modusverlies te compenseren. Dit resulteert ook in een perovskiet submicron laserbron met een hogere effectieve microholtekwaliteitsfactor en een smallere emissielijnbreedte (Figuur 2). Het mechanisme biedt tevens nieuwe inzichten in de ontwikkeling van kleine lasers met een lage drempelwaarde op basis van andere halfgeleidermaterialen.

Figuur 2. Mechanisme van een submicron laserbron met behulp van excitonische polarizonen.

Song Jiepeng, een Zhibo-student van de faculteit Materiaalwetenschappen en -techniek van de Peking Universiteit (lichting 2020), is de eerste auteur van het artikel, en de Peking Universiteit is de eerste onderzoeksinstelling. Zhang Qing en Xiong Qihua, hoogleraar natuurkunde aan de Tsinghua Universiteit, zijn de corresponderende auteurs. Het onderzoek werd ondersteund door de Chinese Nationale Stichting voor Natuurwetenschappen en de Beijing Science Foundation for Outstanding Young People.