A perovszkit anyagok kihívásai
A perovszkit alapú félvezetők kiemelkedő anyaggá váltak az optoelektronikában, mert kivételesen jó erősítési tényezővel, hosszú töltéshordozó-élettartammal és hangolható fénykibocsátási hullámhosszal rendelkeznek. Mégis, annak ellenére, hogy optikai pumpálással (külső lézeres gerjesztéssel) meggyőző eredményeket hoztak, az árammal hajtott lézerezés sokáig elérhetetlen maradt.
Fontos megjegyezni, hogy a megoldott perovszkitok előnye az olcsó előállítás, az egyszerű integrálhatóság és az alacsony optikai küszöbérték – azonban az ilyen lézerek csak külső fényforrással működtek, ami jelentősen korlátozta használhatóságukat.
Az alapvető akadályok anyagszerkezeti és eszközszintű problémákból adódtak. Anyagszinten a legnagyobb kihívás a kiváló minőségű perovszkit kristály előállítása mikroszerkezetekben. Nagy áramerősségnél a perovszkit hajlamos gyorsan tönkremenni, ami jelentős hatásfokcsökkenést eredményezett. Eszközszinten két fő problémát kellett megoldani: a mikrokavitásos LED-ek fénykibocsátásának javítását és a két üreg közötti optikai csatolás maximalizálását.
Két mikroüreg: minden a hatékonyságért
A kutatók megoldása egy integrált, dupla üreges architektúra, melynek lényege, hogy az elektromos és optikai funkciókat két eltérő felépítésű egységre választják szét. Az első mikroüreg egy nagy teljesítményű perovszkit LED-et tartalmaz, a második pedig egy alacsony küszöbű, egykristályos perovszkit mikroüreget.
Az egész rendszer kulcsa a két üreg közötti, precízen megtervezett optikai csatolás. Az első mikroüreg irányított, nagy intenzitású fényáramát a második üreg elnyeli, majd felerősíti, így létrejön a lézerhatás.
A mikroüreges szerkezetnek köszönhetően sikerült jelentősen javítani a kristályminőséget és csökkenteni a veszteségeket. A lézerező komponens 180 nm vastag, 0,7 nm felületi érdességű formamidínium-jodid egység volt, speciális kristályosítási módszerrel (helyhez kötött, inverz hőmérsékletű kristályosítás) előállítva. Ez a folyamat két napig tartott, és kivételesen sima kristályokat eredményezett.
A LED egység más összetételű perovszkitból (Cs.FA.PbIBr) készült, oldatos feldolgozással. Mindkét részt úgy tervezték, hogy maximalizálják az optikai csatolást – ennek eredményeként 82,7%-os fénycsatolási hatékonyságot értek el a két üreg között.
Az egységes üreges kialakítással szemben a duál üreges rendszer négyszer hatékonyabb volt: a bekapcsolási küszöb csak negyede az előző típusénak.
Teljesítmény, gyorsaság, stabilitás
Az új rendszer 92 A/cm² áramerősségnél kezd lézerezni (átlagos küszöb: 129 A/cm²). Ez tízszer kedvezőbb érték, mint a jelenleg létező legjobb szerves, árammal vezérelt lézereké.
A készülék 1,8 órán keresztül működött pulzált üzemmódban (64 000 feszültségimpulzus 10 Hz-en), szintén túlszárnyalva a hasonló eszközöket.
Fontos, hogy a működést jelenleg leginkább a kristályon belüli ionvándorlás és az intenzív áram okozta melegedés korlátozza, de ezek fejlesztésével az élettartam tovább növelhető.
Az eszköz kiemelkedő digitális modulációs képességekkel bír: a lézer sávszélessége 36,2 MHz, vagyis másodpercenként 36,2 milliószor tud kapcsolni. A kapcsolási sebesség (fel- és lefutási idő) 5,4 illetve 5,1 nanoszekundum, így optikai adatátvitelre is alkalmazható.
Mire jó az elektromos perovszkit lézer?
A kétüreges, elektromosan hajtott perovszkit lézer új utakat nyit az optikai adatátvitelben, integrált fotonikus chipekben, és akár hordható eszközökben is használhatóvá válhat. Ebből kifolyólag a fejlesztés csupán a kezdete lehet az MI-alapú optoelektronika új korszakának, amely a jövőben még kompaktabb, olcsóbb és könnyebben tömeggyártható lézerdiódákat hozhat el.
