En nysgerrig finurlighed bringer organiske diodelasere et skridt nærmere

Siden opfindelsen i 1962, halvleder -diodelasere har revolutioneret kommunikation og muliggjort opbevaring og hentning af oplysninger på cd'er, DVD'er og Blu-ray-enheder. Disse diodelasere bruger uorganiske halvledere dyrket i udførlige højvakuumsystemer. Nu, et team af forskere fra Penn State og Princeton University har taget et stort skridt mod at skabe en diodelaser fra et hybrid organisk-uorganisk materiale, der kan deponeres fra opløsning på en laboratoriebordplade.

"Det er normalt ikke et stort spring at gøre en lysdiode til en laser, "sagde Chris Giebink, adjunkt i elektroteknik, Penn State. "Du tilføjer i det væsentlige bare spejle og driver det hårdere. Når organiske lysemitterende dioder blev opfundet for 30 år siden, alle troede, at så snart vi havde relativt effektive OLED'er, at en organisk laserdiode snart ville følge. "

Som det viste sig, organiske diodelasere viste sig at være virkelig svære at lave.

En organisk laserdiode kan have fordele. Først, fordi organiske halvledere er relativt bløde og fleksible, organiske lasere kunne inkorporeres i nye formfaktorer, der ikke er mulige for deres uorganiske modparter. Mens uorganiske halvlederlasere er relativt begrænsede i bølgelængderne, eller farver, de udsender lys, en organisk laser kan producere enhver bølgelængde, som en kemiker bekymrer sig om at syntetisere i laboratoriet ved at skræddersy strukturen af ​​de organiske molekyler. Denne afstemning kan være meget nyttig i applikationer lige fra medicinsk diagnostik til miljøfølelse.

Det er endnu ikke lykkedes for nogen at lave en organisk laserdiode, men nøglen kan meget vel involvere relaterede materialer - organiske/uorganiske perovskitter - der har fået stor opmærksomhed i forskningsmiljøet i løbet af de sidste par år. Dette hybridmateriale har allerede været ansvarlig for en meteorisk stigning i effektiviteten af ​​solceller, Sagde Giebink.

Perovskitter er ret almindelige mineraler, der deler en lignende kubisk krystalstruktur. Lidt paradoksalt nok, en af ​​grundene til, at disse hybridperovskitmaterialer fungerer så godt i solceller, er, at de er gode lysemitterende. Af den grund, de er også af interesse til brug i lysdioder og lasere. Materialet, Giebink og hans kolleger studerer, består af et uorganisk perovskit -undergitter med relativt store organiske molekyler begrænset i midten.

"Det endelige mål er at lave en elektrisk drevet perovskitlaserdiode, "sagde Giebink." Det ville være en game changer. Det er ret let at lave perovskitmaterialet lase ved optisk pumpning, det er, ved at skinne endnu en laser på den. Imidlertid, dette har kun virket ved meget korte impulser på grund af et dårligt forstået fænomen, vi kalder lasing death. At få det til at gå kontinuerligt er et vigtigt skridt i retning af en eventuelt elektrisk drevet enhed. Hvad vi fandt i denne nylige undersøgelse er en nysgerrig finurlighed. Vi kan helt undgå at dø døden ved blot at sænke materialets temperatur en lille smule for at fremkalde en delvis faseovergang. "

I et papir, der blev offentliggjort online i dag (20. november) i tidsskriftet Natur fotonik , Giebink og kolleger rapporterer om den første "Kontinuerlig bølgelasning i en organisk-uorganisk blyhalogenid perovskit halvleder."

"Da vi sænkede temperaturen under faseovergangen, vi var overraskede over at opdage, at materialet oprindeligt udsendte lys fra lavtemperaturfasen, men skiftede derefter inden for 100 nanosekunder og begyndte at lasere fra høj temperaturfasen-i over en time, "sagde Yufei Jia, en kandidatstuderende i Giebinks laboratorium og hovedforfatter. "Det viste sig, at efterhånden som materialet opvarmede, selv om det meste af materialet forblev i lavtemperaturfasen, små lommer i høj temperaturfasen dannet, og det var der, lasningen kom fra. "

I nogle uorganiske lasere er der smalle områder kaldet kvantebrønde, hvor ladningsbærere kan fanges, når elektronerne og hullerne falder ned i brøndene. Intensiteten af ​​lasingen afhænger af, hvor mange ladningsbærere der kan pakkes i kvantebrøndene. I perovskitmaterialet, arrangementet af højtemperaturfaseindeslutningerne inde i lavtemperaturmassen synes at efterligne disse kvantebrønde og kan spille en rolle i at muliggøre kontinuerlig lasning.

"Juryen er stadig ude på denne forklaring, "Sagde Giebink." Det kan være noget mere subtilt. "

Alligevel, disse resultater peger mod en mulighed for at konstruere et materiale, der har de indbyggede kvaliteter i dette blandede fasearrangement, men uden egentlig at skulle afkøle materialet til lav temperatur. Det nuværende papir peger på et par ideer til, hvordan disse materialer kan designes. Det næste store trin er derefter at skifte fra optisk pumpning med en ekstern laser til en perovskit laserdiode, der kan drives direkte med elektrisk strøm.

"Hvis vi kan løse problemet med elektrisk pumpning, perovskitlasere kan blive til en teknologi med reel kommerciel værdi, "Sagde Giebink.