Les lasers à pérovskite ont rapidement réalisé des progrès dans le développement d’un laser excité à onde continue à partir d’un laser excité par impulsion femtoseconde, qui est considéré comme une étape critique vers un laser excité électriquement. Après un laser à onde continue à température ambiante, le prochain objectif est de réaliser un laser à commande électrique.
Dans les lasers à injection électrique disponibles dans le commerce, les semi-conducteurs monocristallins à croissance épitaxiale traditionnels avec à la fois une grande conductivité thermique κ et une mobilité élevée des porteurs de charge m présentent généralement un faible chauffage résistif sous un flux de courant important. Alors que les pérovskites possèdent des mobilités de porteurs de charge importantes et équilibrées, elles souffrent de faibles valeurs κ. La conductivité thermique de MAPbI3 est de 1-3 W m−1 K−1, ce qui est inférieur à celui de GaAs (50 W m−1 K−1).
Par conséquent, la chaleur convertie à partir de la perte d’énergie par des voies non radiatives ne peut pas être efficacement dissipée. Cette défaillance augmentera le seuil d’effet laser car les porteurs occupent une plage d’énergie plus large à une température plus élevée, diluant l’inversion de population d’une transition donnée ainsi que d’autres problèmes tels que la dégradation et les défauts induits par la chaleur.
Le seuil d’excitation électrique le plus bas d’un laser pérovskite à rétroaction distribuée (DFB) serait aussi élevé que 24 mA cm-2. De plus, en raison de l’injection de courant élevé dans les architectures de diodes électroluminescentes à pérovskite conventionnelles utilisées pour les dispositifs laser, l’efficacité quantique externe serait considérablement limitée dans des conditions d’injection de courant élevé en raison du chauffage Joule. Par conséquent, la gestion de la chaleur est un goulot d’étranglement pour le développement de lasers électriques à base de pérovskite.
Dans cette optique, un groupe de chercheurs, dont le professeur Guohui Li, le professeur Shengwang Yu, le professeur Yanxia Cui de l’Université de technologie de Taiyuan et le professeur Kaibo Zheng de l’Université de Lund, ont démontré un laser à nanoplaquettes pérovskite sur un substrat de diamant qui peut dissiper efficacement la chaleur générée lors du pompage optique.
Le laser démontré présente un facteur Q d’environ 1962, un seuil d’émission laser de 52,19 μJ cm-2. Un confinement optique serré est également réalisé en introduisant une fine couche d’écart de SiO2 entre les nanoplaquettes et le substrat de diamant. Les distributions de champ électrique à l’intérieur des structures montrent qu’un large gap de SiO2 de 200 nm d’épaisseur produit évidemment moins de champ de fuite dans le substrat de diamant, proposant simultanément un meilleur confinement de mode au sein de la nanoplaquette MAPbI3.
Ils ont évalué la dissipation thermique dans les lasers à nanoplaquettes pérovskite sur le substrat de diamant par des variations de température dans des conditions de pompage optique. Le laser présente une faible sensibilité à la température dépendant de la densité de la pompe (~ 0,56 ± 0,01 K cm2 μJ-1) grâce à l’incorporation du substrat en diamant.
La sensibilité est inférieure d’un à deux ordres de grandeur aux valeurs des lasers à nanofils de pérovskite précédemment rapportés sur des substrats de verre. Le substrat en diamant à conductivité thermique élevée permet au laser à nanoplaquettes de fonctionner à une densité de pompe élevée. L’étude pourrait inspirer le développement de lasers pérovskites à commande électrique. Ce travail a été publié dans Science Chine Matériaux.
Plus d’information:
Guohui Li et al, Lasers perovskite à dissipation thermique efficace utilisant un substrat de diamant à haute conductivité thermique, Science Chine Matériaux (2023). DOI : 10.1007/s40843-022-2355-6