Perowskit-Materialien stoßen bei Solarzellenanwendungen immer noch auf großes Interesse. Nun werden die Nanostrukturen von Perowskit-Materialien als neues Lasermedium in Betracht gezogen. Im Laufe der Jahre wurde über Lichtverstärkung in Perowskit-Quantenpunkten berichtet, die meisten Arbeiten weisen jedoch eine unzureichende quantitative Analyse auf.
Zur Beurteilung der Lichtverstärkungsfähigkeit ist ein „Verstärkungskoeffizient“ erforderlich, der die wesentliche Eigenschaft eines Lasermediums offenbart. Ein effizientes Lasermedium hat einen großen Gewinn, und Wissenschaftler haben nach Möglichkeiten gesucht, diesen Gewinn zu steigern.
Nun ist es einem Forscherteam unter der Leitung von Professor Kwangseuk Kyhm von der Abteilung für Optik und Mechatronik der Pusan National University in Korea in einer aktuellen Studie gelungen, die Signalverstärkung in Perowskit-Nanoblättern aus CsPbBr3 mit einem einzigartigen Wellenleitermuster zu verbessern.
Ihre Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Licht: Wissenschaft und Anwendungen.
Perowskit-Nanoblätter sind zweidimensionale Strukturen, die im Nanomaßstab in blattähnlichen Konfigurationen angeordnet sind und Eigenschaften besitzen, die sie für verschiedene Anwendungen wertvoll machen.
Ihre Leistung überwindet die Mängel von CsPbBr3-Quantenpunkten, deren Gewinn aufgrund des Auger-Prozesses von Natur aus begrenzt ist, was die Abklingzeit für die Besetzungsinversion (einen Zustand, in dem sich mehr Mitglieder des Systems in höheren, angeregten Zuständen befinden als in niedrigeren, nicht angeregte Energiezustände).
Prof. Kyhm erklärt: „Perowskit-Nanoblätter können ein neues Lasermedium sein, und diese Arbeit hat gezeigt, dass eine Lichtverstärkung auf der Grundlage winziger Perowskit-Nanoblätter erreicht werden kann, die chemisch synthetisiert werden.“
Die Forscher schlugen außerdem eine neue Verstärkungsanalyse der „Gain-Kontur“ vor, um die Grenzen früherer Verstärkungsanalysen zu überwinden. Während die alte Methode ein Verstärkungsspektrum liefert, kann sie die Verstärkungssättigung für lange optische Streifenlängen nicht analysieren. Da die „Verstärkungskontur“ die Variation der Verstärkung in Bezug auf die spektrale Energie und die Länge des optischen Streifens veranschaulicht, ist es sehr praktisch, die lokale Verstärkungsvariation entlang der spektralen Energie und der Länge des optischen Streifens zu analysieren.
Die Forscher untersuchten auch die Anregungs- und Temperaturabhängigkeit der Verstärkungskontur und des strukturierten Wellenleiters auf Polyurethan-Acrylat-Basis, was sowohl die Verstärkung als auch die thermische Stabilität von Perowskit-Nanoblättern steigerte. Diese Verbesserung wurde auf eine verbesserte optische Eingrenzung und Wärmeableitung zurückgeführt, die durch die zweidimensionalen, auf den Massenschwerpunkt beschränkten Exzitonen und lokalisierten Zustände, die sich aus der inhomogenen Schichtdicke und den Defektzuständen ergeben, erleichtert wurde.
Die Implementierung eines solchen strukturierten Wellenleiters verspricht eine effiziente und kontrollierte Signalverstärkung und kann zur Entwicklung zuverlässigerer und vielseitigerer Geräte auf der Basis von Perowskit-Nanoblättern beitragen, darunter Laser, Sensoren und Solarzellen. Darüber hinaus könnte es auch Auswirkungen auf Branchen haben, die mit der Ver- und Entschlüsselung von Informationen, dem neuromorphen Computing und der Kommunikation mit sichtbarem Licht zu tun haben.
Darüber hinaus können eine verbesserte Verstärkung und höhere Wirkungsgrade dazu beitragen, dass Perowskit-Solarzellen besser mit herkömmlichen Solarzellen auf Siliziumbasis konkurrieren können.
Die Studie dürfte auch die Optik und Photonik maßgeblich beeinflussen. Die gewonnenen Erkenntnisse können dazu beitragen, den Laserbetrieb zu optimieren, die Signalübertragung in der optischen Kommunikation zu verbessern und die Empfindlichkeit von Fotodetektoren zu verbessern. Dies wiederum könnte einen zuverlässigeren Betrieb der Geräte ermöglichen.
Wenn auf lange Sicht intensives Licht im Nanobereich benötigt wird, können Perowskit-Nanoblätter mit anderen Nanostrukturen kombiniert werden, sodass das verstärkte Licht als optische Sonde dienen kann. Die erfolgreiche Anwendung von Perowskit-Nanoblättern in verschiedenen Bereichen, einschließlich Verbraucherprodukten wie Smartphones und Beleuchtung, würde jedoch von der Bewältigung von Herausforderungen im Zusammenhang mit ihrer Stabilität, Skalierbarkeit und Toxizität abhängen.
„Bisher wurden Perowskit-Quantenpunkte für Laser untersucht, aber solche nulldimensionalen Strukturen haben grundlegende Grenzen. In dieser Hinsicht legen unsere Arbeiten nahe, dass die zweidimensionale Struktur von Perowskit-Nanoblättern eine alternative Lösung sein kann“, schließt Prof. Kyhm .
Mehr Informationen:
Inhong Kim et al., Verstärkungssteigerung von Perowskit-Nanoblättern durch einen strukturierten Wellenleiter: Anregung und Temperaturabhängigkeit der Verstärkungssättigung, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01313-0
Zur Verfügung gestellt von der Pusan National University