Pekingin yliopisto toteutti perovskiittijatkuvanlaserlähdepienempi kuin 1 neliömikroni
On tärkeää rakentaa jatkuvatoiminen laserlähde, jonka laitepinta-ala on alle 1 μm2, jotta voidaan täyttää sirulle integroidun optisen yhteenliitännän alhaisen energiankulutuksen vaatimus (<10 fJ bit-1). Laitekoon pienentyessä optiset ja materiaalihäviöt kuitenkin kasvavat merkittävästi, joten submikronin laitekoon ja laserlähteiden jatkuvan optisen pumppauksen saavuttaminen on erittäin haastavaa. Viime vuosina halogenidiperovskiittimateriaalit ovat saaneet laajaa huomiota jatkuvasti optisesti pumpattavien lasereiden alalla niiden suuren optisen vahvistuksen ja ainutlaatuisten eksitonipolaritoni-ominaisuuksien vuoksi. Tähän mennessä raportoitujen perovskiitti-jatkuvien laserlähteiden laitepinta-ala on edelleen yli 10 μm2, ja kaikki submikroniset laserlähteet vaativat stimulointiin pulssivaloa, jolla on suurempi pumppausenergiatiheys.
Vastauksena tähän haasteeseen Pekingin yliopiston materiaalitieteen ja -tekniikan tiedekunnan Zhang Qingin tutkimusryhmä valmisti onnistuneesti korkealaatuisia perovskiitti-submikronisia yksikidemateriaaleja jatkuvien optisten pumppauslaserlähteiden aikaansaamiseksi, joiden laitepinta-ala on jopa niinkin pieni kuin 0,65 μm2. Samalla fotoni paljastuu. Eksitonipolaritonin mekanismi submikronisessa jatkuvassa optisesti pumpatussa laserointiprosessissa ymmärretään syvällisesti, mikä tarjoaa uuden idean pienikokoisten matalan kynnyksen puolijohdelasereiden kehittämiseen. Tutkimuksen "Jatkuvalla aallolla pumpatut perovskiittilaserit, joiden laitepinta-ala on alle 1 μm2" tulokset julkaistiin äskettäin Advanced Materials -lehdessä.
Tässä työssä valmistettiin epäorgaaninen perovskiitti CsPbBr3 -yksittäiskristallilevy safiirialustalle kemiallisella höyrypinnoituksella. Havaittiin, että perovskiittieksitonien voimakas kytkentä ääniseinän mikroontelon fotoneihin huoneenlämmössä johti eksitonisen polaritonin muodostumiseen. Useiden todisteiden, kuten lineaarisen ja epälineaarisen emissiointensiteetin, kapean viivanleveyden, emissiopolarisaatiomuutoksen ja spatiaalisen koherenssimuutoksen kynnysarvolla, avulla vahvistettiin submikronikokoisen CsPbBr3 -yksittäiskristallin jatkuva optisesti pumpattu fluoresenssilaasi, ja laitteen pinta-ala on niinkin pieni kuin 0,65 μm2. Samalla havaittiin, että submikronikokoisen laserlähteen kynnysarvo on verrattavissa suurikokoisen laserlähteen kynnykseen ja voi olla jopa alhaisempi (kuva 1).
Kuva 1. Jatkuvasti optisesti pumpattu submikroninen CsPbBr3laservalonlähde
Lisäksi tässä työssä tutkitaan sekä kokeellisesti että teoreettisesti ja paljastetaan eksitonipolarisoitujen eksitonien mekanismi submikronisten jatkuvien laserlähteiden toteutuksessa. Tehostettu fotoni-eksitoni-kytkentä submikronisissa perovskiiteissa johtaa ryhmän taitekertoimen merkittävään kasvuun noin 80:een, mikä lisää merkittävästi moodivahvistusta moodihäviön kompensoimiseksi. Tämä johtaa myös perovskiittipohjaiseen submikronilaserlähteeseen, jolla on korkeampi efektiivinen mikroonteloiden laatutekijä ja kapeampi emissioviivan leveys (kuva 2). Mekanismi tarjoaa myös uusia näkemyksiä pienikokoisten, matalan kynnyksen lasereiden kehittämiseen muihin puolijohdemateriaaleihin perustuen.
Kuva 2. Submikronisen laserlähteen mekanismi eksitonisia polarisoneja käyttäen
Song Jiepeng, Pekingin yliopiston materiaalitieteen ja -tekniikan tiedekunnan Zhibo-opiskelija vuonna 2020, on artikkelin ensimmäinen kirjoittaja, ja Pekingin yliopisto on artikkelin ensimmäinen yksikkö. Zhang Qing ja Xiong Qihua, Tsinghuan yliopiston fysiikan professori, ovat vastaavia kirjoittajia. Tutkimusta tukivat Kiinan kansallinen luonnontieteiden säätiö ja Pekingin tiedesäätiö erinomaisille nuorille.
Julkaisun aika: 12.9.2023