Ein Durchbruch in der Halbleiterphysik und der Optoelektronik wurde mit der Demonstration der ersten elektrisch gepumpenen Perowskit-Polariton-Laserdiode erzielt, wodurch eine Herausforderung gelöst wurde, die seit Jahrzehnten besteht. RF Group Institution hat zusammen mit Mitarbeitern der ITMO-Universität und der HSE-Universität erfolgreich ein Gerät entwickelt, das kohärentes Laserlicht durch direkten elektrischen Strom erzeugen kann.
Die Innovation konzentriert sich auf lösungsbearbeitete Halogenid-Perowskit-Mikrokristalle, die eine vielversprechende Alternative zu traditionell teuren epitaktisch angebauten Halbleitern bieten.
Um diese Einschränkungen zu beheben, nutzte das Forscherteam die Eigenschaften von Exciton-Polaritonen, Quasipartikeln, die durch die Wechselwirkung zwischen Photonen und Elektronen-Lochpaaren innerhalb einer optischen Mikrokavität gebildet werden. Diese Partikel zeigen bosonisches Verhalten und können sich in einen makroskopischen Quantenzustand kondensieren, der als Bose-Einstein-Kondensat bekannt ist. Dieser Prozess ermöglicht die Erzeugung kohärenten Laserlichts mit viel geringeren Energiedichten und Ladungsdichten im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiterlasern.
Eine spezialisierte zweistufige Kryokühlmethode wurde eingesetzt, um die Ionenmobilität zu verwalten und eine stabile, eingefrorene p-i-n-Kreuzdiode herzustellen. Diese Konfiguration ermöglichte eine effiziente Ladungsträgerinjektion bei gleichzeitiger Erhaltung der strukturellen Integrität des Perowskitgitters. Unter kontinuierlichem Strom erzeugte das resultierende Gerät klares Polariton-Lasing bei einem bemerkenswert niedrigen Schwellenstrom von 60 Mikroamperen. Dieses Wirkungsgrad stellt einen großen Fortschritt gegenüber früheren Versuchen dar, die häufig höhere Leistungseingänge erforderten und aufgrund von thermischen Belastungen mit Zuverlässigkeitsproblemen konfrontiert waren.
Der Assistenzprofessor Anatoly Pushkarev von Skoltech Photonics, der die Studie leitete, betonte die Bedeutung der Arbeit. Die Erreichung von Lasing unter direktem elektrischem Pumpen in lösungsbearbeiteten Materialien ist seit 60 Jahren eines der wichtigsten Ziele in der Halbleiteroptoelektronik, erklärte er. Der Ansatz des Teams, der chemisch inerte Kohlenstoff-Nanoröhrenelektroden mit mobilen Halogenid-Vakanzen im Perowskitgitter integriert, mildert unerwünschte chemische Wechselwirkungen an der Elektroden-Material-Schnittstelle effektiv und überwindet thermische Einschränkungen.
"Wir haben deutlich die drei Kennzeichen der eingeschlossenen Exciton-Polariton-Kondensation beobachtet", erklärte er. "Dazu gehören ein nichtlinearer Anstieg der Emissionsintensität, eine Verengung der Spektrallinienbreite und eine Blauschichtung der Lasing-Emission über den Schwellenstrom hinaus". Diese Beobachtungen bestätigen die erfolgreiche Bildung eines stabilen Polariton-Kondensats unter elektrischer Stimulation. Die Auswirkungen dieser Entdeckung gehen über das akademische Interesse hinaus.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleiterlasern, die auf komplexe und kostspielige epitaksielle Wachstumsmethoden angewiesen sind, bieten diese neuen Geräte einen einfacheren Herstellungsweg. Darüber hinaus arbeiten Polaritonlaser bei niedrigeren Anregungsdichten, was möglicherweise neue Anwendungen in photonischen Technologien ermöglicht, die sowohl Leistung als auch wirtschaftliche Tragfähigkeit erfordern.
Der Erfolg dieses Experiments eröffnet neue Wege für die Weiterentwicklung optoelektronischer Technologien und ebnet den Weg für nachhaltigere und vielseitige Lichtquellen in zukünftigen elektronischen Systemen.
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