Dans un récent Nature Étude, les scientifiques ont démontré un laser de pérovskite électriquement motivé en utilisant une conception à double cavité, résolvant un défi qui a persisté sur le terrain pendant plus d'une décennie.
Le dispositif laser à double cavité développé par une équipe de l'Université du Zhejiang montre un seuil de lasage un ordre de grandeur inférieur à celui des lasers organiques électriquement motivés à la pointe de la technologie et offre une stabilité opérationnelle supérieure avec des capacités de modulation rapides.
Issues.fr a parlé avec l'équipe de recherche de son travail.
« La réalisation des lasers de pérovskite à moteur électrique est considérée par de nombreux chercheurs comme le plus grand défi dans le domaine de l'optoélectronique de pérovskite », a déclaré Chen Zou, chercheur à l'Université du Zhejiang et premier auteur de l'étude. « En tant que groupe de recherche travaillant activement sur les LED et lasers de pérovskite, nous sommes très heureux de relever ce grand défi. »
Le défi persistant
Les semi-conducteurs de pérovskite sont devenus des matériaux exceptionnels pour les applications laser en raison de leurs coefficients de gain élevé, de leurs durées de transporteur longues et de leurs longueurs d'onde d'émission accordables.
Même si ces matériaux ont démontré des performances de lasage impressionnantes sous pompage optique (où un laser externe excite la pérovskite), le lasage électriquement conduit reste insaisissable.
« Les pérovskites traités par la solution offrent des avantages, notamment un faible coût, la facilité d'intégration avec d'autres matériaux, l'assurance de spectre et les seuils de lasage faiblement pompés optiquement, ce qui en fait des matériaux laser très attrayants », a expliqué Baodan Zhao, professeur agrégé à l'Université de Zhejiang et co-auteur.
« Cependant, ces lasers de pérovskite axés sur optique nécessitent des sources de lumière externes pour fonctionner, limitant considérablement leur utilité. »
Le défi réside dans la surmonter les barrières fondamentales aux niveaux des matériaux et des appareils.
Au niveau du matériau, la formation de cristaux de pérovskite de haute qualité intégrés dans les microstructures reste le principal obstacle. Les courants électriques élevés nécessaires au lasage ont provoqué une grave dégradation des matériaux de pérovskite et un déploiement spectaculaire d'efficacité.
Au niveau de l'appareil, deux problèmes critiques ont exigé une résolution: l'amélioration de la sortie radiante des composants LED de la microcavité à la pérovskite et maximiser l'efficacité de couplage optique entre les éléments de la cavité.
La solution à double cavité
L'approche de l'équipe de recherche se concentre sur une architecture intégrée à double cavité qui divise les fonctions de conversion électrique à optique et d'amplification optique entre deux composants spécialisés.
« Sous des impulsions électriques, l'émission directionnelle intense de la LED de pérovskite dans la première microcavité est absorbée par le monocristal de pérovskite dans la deuxième microcavité, qui soutient l'amplification légère et le lasage ultérieur », a expliqué le professeur Dawei DI, professeur à l'Université Zhejiang et au co-auteur.
Le mécanisme exploite une ingénierie minutieuse du couplage optique entre les deux cavités. La première microcavité contient une sous-unité LED de pérovskite à haute puissance, tandis que le second abrite une microcavité à pérovskite monocristallière monocristallière à faible seuil.
« La microcavité I est responsable de la génération du flux de photons directionnel intense qui va dans la microcavité II, tandis que la microcavité II est responsable de l'amplification et du lasing légères », a déclaré Zou.
La structure architecturale s'est concentrée sur la résolution des défis techniques liés à la qualité des cristaux et à l'efficacité de couplage optique.
Précision d'ingénierie
Le système à double cavité a nécessité l'ingénierie de deux composants de pérovskite distincts avec différentes fonctions.
Le composant laser nécessitait une croissance ou des monocristaux de haute qualité d'iodure de plomb de formamidinium (FAPBI₃) en utilisant une cristallisation de température inverse confinée à l'espace. Cette technique consiste à cultiver le matériau de pérovskite dans un espace contrôlé entre deux surfaces sur un cycle de température soigneusement contrôlé, qui a duré environ deux jours.
La méthode a produit des cristaux de qualité exceptionnelle: une rugosité de surface de seulement 0,7 nm et une épaisseur optimisée d'environ 180 nm.
Le composant de pompage électrique a utilisé une composition de pérovskite différente, CS₀.₅fa₀.₅pbi₂br, fabriquée dans une LED haute puissance grâce à des méthodes de traitement de la solution.
Les deux composants ont été intégrés entre les réflecteurs Bragg distribués avec des propriétés optiques soigneusement modifiées pour maximiser le couplage léger entre les cavités.
« L'efficacité de couplage optique entre les deux microcavités a été améliorée à 82,7% en réduisant la divergence des émissions de la microcavité I et la distance de couplage entre les deux microcavités », a déclaré Zhao.
Cette efficacité s'est avérée critique. Des études comparatives ont montré que la conception à double cavité a réalisé une réduction de 4,7 fois du seuil de lasage par rapport à une architecture à une seule cavité.
Performance et métriques
L'appareil a obtenu des mesures de performances notables, en particulier le seuil de lasage, qui est une mesure de la densité actuelle nécessaire pour atteindre le lasage. Le seuil de lasage a atteint un minimum de 92 A / cm², avec un seuil moyen de 129 A / cm². Cela représente un ordre d'amélioration de l'amplitude par rapport aux meilleurs lasers organiques motivés électriquement.
Au-delà du seuil bas, le laser de pérovskite a démontré une demi-vie opérationnelle de 1,8 heures sous excitation pulsée (64 000 impulsions de tension à 10 Hz), surperformant des lasers organiques à pompage électriquement existant.
« En tant que première démonstration, nous avons déjà été surpris par la demi-vie de 1,8 heures de l'appareil », a déclaré Di. « Bien sûr, la durée de vie est considérée comme très courte du point de vue de l'application. »
Les chercheurs ont identifié les principaux mécanismes limitants comme une migration d'ions sous les champs électriques et le chauffage de Joule dans des courants intenses.
« Ceux-ci pourraient être résolus à l'avenir par une dissipation de chaleur améliorée des appareils et une migration d'ions supprimée dans les matériaux de pérovskite », a noté Zhao.
De plus, l'appareil a obtenu des capacités de modulation impressionnantes, ce qui lui donne des capacités de commutation laser rapides pour le codage d'informations numériques pendant la transmission.
Le laser a obtenu une bande passante de 36,2 MHz, indiquant qu'elle peut s'activer et désactiver 36,2 millions de fois par seconde, avec des temps de montée et de chute de 5,4 et 5,1 nanosecondes, respectivement. Cela suggère que l'appareil est possible pour les applications de transmission de données optiques.
Travaux et applications futures
« Le laser Perovskite peut être utilisé dans diverses applications telles que la transmission de données optiques, la source de lumière cohérente dans les puces photoniques intégrées et les appareils portables », a déclaré Zou.
Les chercheurs ont souligné que cela représente le début d'un développement ultérieur.
« La démonstration des lasers de pérovskite électriquement dirigés électriquement n'est que le début. La transition d'une architecture de pompage intégrée que nous utilisons actuellement à une simple structure de diode laser serait une direction potentielle, car cela permettrait des applications optoélectroniques plus compactes et évolutives », a expliqué Di.
Écrit pour vous par notre auteur Tejasri Gururaj, édité par Gaby Clark, et vérifié et révisé par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
