Kvanteemitterende svar kan ligge i løsningen

At udnytte fotonernes kvanteegenskaber til optoelektronik kræver højeffektive lyskilder. Blytrihalogenid perovskit nanokrystaller udviser en række egenskaber, der gør dem til lovende kandidater som lyskilder. Selvom kobling af kvanteemittere med nanofotoniske hulrum kan øge effektiviteten markant, denne tilgang er ikke blevet undersøgt med disse nanokrystaller.

Nu, en gruppe forskere ved University of Maryland og ETH Zürich har demonstreret en enkel tilgang til kobling af opløsningssyntetiseret cæsium blytribromid (CsPbBr3) perovskit nanokrystaller til siliciumnitrid (SiN) fotoniske hulrum. Den resulterende lysemission ved stuetemperatur øges med en størrelsesorden over, hvad perovskitter kan udsende alene. Doktorgradskandidat Zhili Yang og andre rapporterer deres resultater i denne uge Anvendt fysik bogstaver .

"Vores arbejde viser, at det er muligt at øge den spontane emission af kolloide perovskit nanokrystaller ved hjælp af et fotonisk hulrum, "Yang sagde. "Vores resultater giver en vej mod kompakte on-chip lyskilder med reduceret energiforbrug og størrelse."

For at koble nanokrystallerne til det fotoniske hulrum, gruppen dråbestøbte perovskit-nanokrystaller i toluenopløsning på SiN-hulrummet. De exciterede derefter enheden med en pulserende laser, fører til fotonemission fra nanokrystallerne.

Brugen af ​​løsninger til fremstilling af kolloide kvanteemittere står i kontrast til fremstillingen af ​​epitaksiale materialer, en meget brugt proces, der involverer dyrkning af krystallinske overlag på et eksisterende substrat. I stedet, Yang sagde, man kan lettere afsætte kolloide nanokrystaller ved hjælp af opløsningsmidler på forskellige slags wafers.

Lignende perovskitmaterialer er allerede lovende i fotovoltaiske omgivelser, og de udviser også en række egenskaber, der gør dem til lovende kandidater til lysemitterende enheder.

"Nanokrystallerne har en lav tæthed af defekter, der kan fange bærere [elektroner og huller], producerer en meget lav ikke-strålings henfaldshastighed og en høj fotoluminescenseffektivitet ved stuetemperatur, " sagde Yang.

Forsøg på at udsende lys med epitaksiale materialer har generelt ikke kunnet dække det synlige lysspektrum effektivt, hvor bølgelængdeområdet i den blågrønne er særligt problematisk. Enheden, som holdet demonstrerede, udviste emission centreret ved 510 nanometer i green.

"Den store udfordring med denne metode, imidlertid, er, at du skal finde en meget optimeret koncentration [densitet] af krystallerne på overfladen af ​​hulrummet, " sagde Yang. "Det kan ikke være for kondenseret, ellers vil det være skadeligt for hulrummet og kan føre til uoverensstemmelser."

De koblede nanokrystaller og nanokavitet kunne prale af en tidoblet forbedring i emissionslysstyrke sammenlignet med udsenderne alene. Det resulterede i en spontan emissionsforøgelse på 2,9, hvilket afspejler en næsten tre gange stigning i fotonemitterende effektivitet i hulrummet sammenlignet med perovskitter på umønstrede overflader.

Resultaterne er en velsignelse for optoelektronikken, Yang sagde, et felt, der udnytter fotonernes kvanteeffekter på elektroniske materialer til at hjælpe med at bygge optiske kredsløb, der ikke lider under nogle af ineffektiviteten ved rent elektroniske enheder, såsom opvarmning. Optoelektroniske enheder nyder også hurtigere behandlingshastigheder og bredere signalbåndbredder, og kan en dag blive brugt i kvantecomputere og kvantekommunikationsnetværk.