Onlangs heeft een team onder leiding van professor Di David, onderzoeker Zou Chen en professor Zhao Baodan van het College of Optical Science and Engineering/International Joint College van de Zhejiang Universiteit de eerste elektrisch aangedreven perovskietlaser ter wereld ontwikkeld. Deze "dual--cavity"-laser integreert twee optische microcaviteiten, waarbij een perovskiet-subeenheid met enkele-kristalmicrocaviteit met een lage- drempelwaarde wordt gecombineerd met een-krachtige perovskiet-LED-subunit met microcaviteit in één enkel apparaat, waardoor een verticaal gestapelde meerlaagse structuur wordt gevormd.
Dit nieuwe type halfgeleiderlaser vereist een minimale stroomdichtheid (drempelstroom) van 92 A/cm2 om laserlicht uit te zenden, wat een orde van grootte lager is dan de beste organische halfgeleiderlasers. Het vertoont ook een goede stabiliteit en kan snelle modulatie bereiken bij een bandbreedte van 36,2 MHz, wat het veelbelovend maakt voor toepassingen zoals gegevensoverdracht op een chip, computergebruik en biogeneeskunde. Het gerelateerde onderzoeksartikel werd op 27 augustus gepubliceerd in Nature.
Er zijn verschillende soorten lasers en momenteel vertonen nieuwe lasermaterialen zoals perovskiethalfgeleiders, organische halfgeleiders en kwantumdots aanzienlijke voordelen. Van deze materialen vallen perovskiethalfgeleiders op vanwege hun afstembare emissiespectra (in staat om verschillende kleuren te produceren) en extreem lage laseremissiedrempels onder optisch pompen (dwz door licht-gedreven omstandigheden), waardoor ze zeer veelbelovend zijn voor technologische toepassingen.
Het ontwikkelen van een elektrisch aangedreven perovskietlaser is echter de grootste uitdaging op het gebied van perovskiet-opto-elektronica en een doel dat door talloze onderzoeksteams wereldwijd wordt nagestreefd.
"Om elektrisch aangedreven laseremissie te bereiken, hebben we een geïntegreerde dubbele- holtestructuur uitgevonden. Onze aanpak omvat het compact integreren van een hoog- krachtige perovskiet-LED-subeenheid met microcaviteit met een hoogwaardige- enkele- kristal perovskiet microcaviteitssubeenheid in hetzelfde apparaat", legt Di David, de corresponderende auteur van het artikel, uit. Dit apparaat koppelt op efficiënte wijze een groot aantal fotonen gegenereerd door de elektrisch aangeslagen perovskiet-LED met microholte in de tweede microholte, waardoor het perovskiet-versterkingsmedium met één -kristal wordt geëxciteerd om laserlicht te produceren. Deze geïntegreerde laser bestaat uit twee optische microholtes met een hoog koppelingsrendement (82,7%). Onder elektrische pulsen produceert de perovskiet-LED-subeenheid met microcaviteit een maximale stralingsvermogensdichtheid van ongeveer 2,5 x 104mW/cm2, wat overeenkomt met een ultra-hoge straling van ongeveer 2,0×105W/sr/m2. Dit optische vermogen wordt effectief overgebracht naar de perovskietmicroholte met één kristal, waardoor de laseremissie wordt ondersteund.
"Deze nieuwe halfgeleiderlaser heeft al een aanzienlijk technologisch potentieel aangetoond", merkte Di David op. Bij elektrische excitatie heeft de perovskietlaser een drempelstroom van 92 A/cm2, wat een orde van grootte lager is dan de beste elektrisch aangedreven organische lasers. Bovendien vertoont de elektrisch aangedreven perovskietlaser een betere reproduceerbaarheid en stabiliteit dan organische lasers en kan hij een snelle modulatie bereiken bij een bandbreedte van 36,2 MHz.
Elektrisch aangedreven perovskietlasers kunnen in verschillende toepassingen worden gebruikt, zoals optische datatransmissie, en kunnen dienen als coherente lichtbronnen in geïntegreerde fotonische chips en draagbare apparaten. Het team ontdekte dat het apparaat snel kan worden gemoduleerd via elektrische pulsen met een bandbreedte van 36,2 MHz. Deze modulatiesnelheid wordt bereikt door het effectieve oppervlak van het apparaat te verkleinen om de weerstand-capaciteitsconstante (RC) te minimaliseren en een siliciumsubstraat te gebruiken om de warmtedissipatie te verbeteren.
Zhao Baodan zei: "In de toekomst zullen we de beperking van de spontane stralingslevensduur op nanoseconden-schaal van de perovskiet-LED-subeenheid met microcaviteit moeten overwinnen om de werking van het apparaat op GHz-niveau met hoge- snelheid te bereiken."
"De overgang van de huidige 'geïntegreerde pomp'-architectuur naar een eenvoudigere laserdiodestructuur zal van cruciaal belang zijn voor toekomstig onderzoek, omdat het compactere en schaalbare opto-elektronische toepassingen mogelijk zal maken," voegde Di David eraan toe.