Российские ученые разработали метод, позволяющий перовскитному лазеру функционировать без необходимости использования внешней оптической накачки. Для достижения этой цели исследователи задействовали явление миграции ионов, которое традиционно рассматривалось как один из существенных недостатков перовскитных материалов. Эта научная работа была представлена в издании Nature.
Применение лазеров и проблемы перовскитов
Лазер представляет собой прибор, генерирующий узконаправленный, одноцветный луч света. Сегодня лазерное излучение находит широкое применение в различных областях, включая медицину и технологию 3D-печати. Для создания такого луча активная среда должна быть предварительно насыщена энергией, после чего возникающее излучение многократно усиливается в оптическом резонаторе. Ранее возбуждение излучения осуществлялось посредством другого излучения, однако в настоящее время чаще применяется электрическая накачка, при которой энергия подается в активную зону через электрический ток. Такие лазеры отличаются меньшими габаритами и упрощенной интеграцией в электронные устройства.
Галогенидные перовскиты являются особенно перспективными кандидатами для создания подобных лазеров, поскольку их можно производить из раствора, что потенциально снижает стоимость по сравнению с существующими полупроводниковыми методами. Тем не менее, создание перовскитного лазера с использованием прямой электрической накачки оказалось крайне сложным. При воздействии электрического поля в перовските запускается ионная миграция, происходит деформация кристаллической решетки, а затем следует коррозия электродов. Дополнительные сложности включают плохую теплопроводность перовскитных кристаллов, что приводит к быстрому перегреву при высоких токах. Этот перегрев усиливает безызлучательную рекомбинацию, когда электроны и дырки рассеивают энергию в виде тепла вместо света. Хотя охлаждение частично решает эту проблему, оно вызывает повышение сопротивления и нарушает необходимый баланс между электронами и дырками. Таким образом, проблемы с перовскитными лазерами были многочисленными, и попытки устранить одну не всегда приводили к решению других.
Инновационное решение от российских физиков
Российские физики, возглавляемые Анатолием Пушкаревым и Павлосом Лагудакисом из Университета Сколково, нашли оригинальный подход к данной проблеме. Они разместили микрокристалл перовскита CsPbBr3 между двумя электродами, изготовленными из одностенных углеродных нанотрубок, и интегрировали эту конструкцию в оптический микрорезонатор, сформированный двумя брэгговскими зеркалами. После подачи электрического поля в перовските начался ожидаемый процесс ионной миграции и возник p–i–n-переход: у анода образовался слой, обогащенный дырками, а у катода — слой, насыщенный электронами, что способствовало лучшему введению носителей заряда.
Однако дальнейшее воздействие поля приводило к продолжению миграции и проявлению всех негативных последствий, что ухудшало работу устройства. Для остановки этого процесса физики применили двухэтапное охлаждение, отличающееся от стандартного. Сначала устройство было охлаждено до 280 кельвинов, что незначительно замедлило движение ионов, а затем температура была снижена до 8 кельвинов. Это позволило «зафиксировать» p–i–n-переход на требуемой стадии, сохраняя при этом эффективную инжекцию носителей.
Результаты и перспективы разработки
Более того, оптический микрорезонатор способствовал интенсивному взаимодействию света с экситонами внутри перовскита, а охлаждение, предположительно, стабилизировало эти экситоны. Благодаря этим факторам, устройство смогло перейти в рабочее состояние. Авторы фактически трансформировали основное препятствие для электрической накачки перовскитов в элемент собственного решения: сначала они позволили ионам самостоятельно сформировать p–i–n-переход, а затем зафиксировали его с помощью двухступенчатого охлаждения. В настоящий момент устройство функционирует только при экстремально низких температурах, но предложенная российскими физиками методология может быть полезна и для других полупроводников, получаемых из раствора, а также приблизит практическое использование поляритонных лазеров.
