Perowskitlaser haben schnell Fortschritte bei der Entwicklung von Dauerstrich-angeregtem Lasern aus einem durch Femtosekundenpuls angeregten Lasern erzielt, was als entscheidender Schritt hin zu elektrisch angeregtem Lasern angesehen wird. Nach dem Dauerstrich-Lasern bei Raumtemperatur ist das nächste Ziel, elektrisch angetriebenes Lasern zu realisieren.
Bei im Handel erhältlichen elektrischen Injektionslasern weisen traditionell epitaktisch gewachsene Einkristallhalbleiter mit sowohl großer Wärmeleitfähigkeit κ als auch hoher Ladungsträgerbeweglichkeit m gewöhnlich eine geringe Widerstandserwärmung bei großem Stromfluss auf. Während Perowskite große und ausgeglichene Ladungsträgermobilitäten besitzen, leiden sie unter kleinen κ-Werten. Die Wärmeleitfähigkeit von MAPbI3 beträgt 1–3 W m–1 K–1 und ist damit geringer als die von GaAs (50 W m–1 K–1).
Daher kann Wärme, die durch Energieverlust durch strahlungslose Pfade umgewandelt wird, nicht effektiv abgeführt werden. Dieser Ausfall wird die Laserschwelle erhöhen, da Ladungsträger einen breiteren Energiebereich bei einer höheren Temperatur belegen, was die Besetzungsinversion jedes gegebenen Übergangs zusammen mit anderen Problemen wie Verschlechterung und wärmeinduzierten Defekten verwässert.
Die niedrigste elektrische Anregungsschwelle eines Perowskit-Lasers mit verteilter Rückkopplung (DFB) wäre so hoch wie 24 mA cm-2. Darüber hinaus würde aufgrund der Hochstrominjektion in konventionelle Perowskit-Leuchtdiodenarchitekturen, die für Laservorrichtungen verwendet werden, die externe Quanteneffizienz unter Hochstrominjektionsbedingungen aufgrund der Joule-Erwärmung erheblich eingeschränkt. Daher ist das Wärmemanagement ein Engpass für die Entwicklung von elektrisch betriebenen Lasern auf Perowskitbasis.
Vor diesem Hintergrund demonstrierte eine Gruppe von Forschern, darunter Prof. Guohui Li, Prof. Shengwang Yu, Prof. Yanxia Cui von der Technischen Universität Taiyuan und Prof. Kaibo Zheng von der Universität Lund, einen Perowskit-Nanoplättchen-Laser auf einem Diamantsubstrat, der dies kann während des optischen Pumpens erzeugte Wärme effizient abführen.
Der demonstrierte Laser hat einen Q-Faktor von ~1962, eine Laserschwelle von 52,19 μJ cm−2. Ein enger optischer Einschluss wird auch realisiert, indem eine dünne SiO2-Spaltschicht zwischen Nanoplättchen und dem Diamantsubstrat eingeführt wird. Elektrische Feldverteilungen innerhalb der Strukturen zeigen, dass eine breite SiO2-Lücke von 200 nm Dicke ein offensichtlich geringeres Streufeld im Diamantsubstrat erzeugt und gleichzeitig eine bessere Modenbegrenzung innerhalb des MAPbI3-Nanoplättchens vorschlägt.
Sie bewerteten die Wärmeableitung in Perowskit-Nanoplättchen-Lasern auf dem Diamantsubstrat durch Temperaturschwankungen unter optischen Pumpbedingungen. Durch den Einbau des Diamantsubstrats weist der Laser eine geringe Pumpdichte-abhängige Temperaturempfindlichkeit (~0,56 ± 0,01 K cm2 μJ−1) auf.
Die Empfindlichkeit ist ein bis zwei Größenordnungen niedriger als die Werte für zuvor berichtete Perowskit-Nanodrahtlaser auf Glassubstraten. Das Diamantsubstrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit ermöglicht es dem Nanoplättchenlaser, mit einer hohen Pumpdichte zu arbeiten. Die Studie könnte die Entwicklung von elektrisch angetriebenen Perowskit-Lasern anregen. Diese Arbeit wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche China-Materialien.
Mehr Informationen:
Guohui Li et al, Effiziente Wärmeableitungs-Perowskit-Laser unter Verwendung eines Diamantsubstrats mit hoher Wärmeleitfähigkeit, Wissenschaftliche China-Materialien (2023). DOI: 10.1007/s40843-022-2355-6