Kontinuerlig og stabil lasning opnået fra billige perovskitter ved stuetemperatur

Et internationalt forskerteam ledet af Kyushu University og Changchun Institute of Applied Chemistry, Det Kinesiske Videnskabsakademi, har vist sig stabil, kontinuerlig lasning ved stuetemperatur i over en time fra en klasse af billige materialer kaldet perovskitter, endelig overvinde et fænomen, der hidtil har forhindret en så lang drift.

Anvendes i alt fra fremstilling og forskning til kommunikation og underholdning på grund af deres meget ensartede lysemission, lasere klassificeres ofte efter det materiale, der konverterer inputenergi - normalt enten lys eller elektricitet - til laserlys, med almindelige materialer, herunder uorganiske og organiske halvledere, gasser og krystaller.

Den seneste udvikling i perovskitter har gjort dem attraktive for lasere, fordi de kan fremstilles ud fra løsning til lave omkostninger for at have afstembare farver og fremragende stabilitet, men et fænomen kaldet "lasedød" får lasning under konstant drift ved stuetemperatur til at stoppe efter et par minutter af årsager, der har været uklare.

Nu, forskere fra Kyushu University og Changchun Institute of Applied Chemistry rapporterer i tidsskriftet Natur at de har formået at overvinde lasende død i kvasi-2-D perovskitter ved at tage hensyn til energiske tilstande kaldet triplet excitons.

"Realiseringen af ​​lasere baseret på organiske halvledere er primært blevet hæmmet af tab forårsaget af opbygning af trillinger. Imidlertid har situationen for trillinger i kvasi-2-D perovskitter havde endnu ikke været fuldt ud overvejet, "siger Chuanjiang Qin, professor i Changchun Institute of Applied Chemistry, Det Kinesiske Videnskabsakademi, og ledende forsker på undersøgelsen.

Mens energi i optoelektroniske enheder ofte betragtes som positive og negative ladninger, modsatte ladninger kan også komme sammen og midlertidigt danne en energisk tilstand kaldet en exciton, før de frigiver deres energi. Excitons observeres ofte i organiske halvledere og, på grund af kvantemekaniske overvejelser, falder oftest i to typer kaldet singletter og trillinger, med lysemission næsten umulig for trillinger.

De kvasi-2-D perovskitter, forskerne undersøgte, er en kombination af uorganiske og organiske, med regioner af perovskitkrystaller bestående af de samme komponenter gentaget i alle retninger klemt mellem organiske ark. Holdet fandt for nylig tegn på triplet excitons med lang levetid på næsten et mikrosekund i materialerne, så de fokuserede på trillinger som den mulige årsag til lasedøden.

"Trillinger udsender ikke lys og har en tendens til at interagere med lysemitterende singlets på en måde, der får begge til at miste deres energi uden at producere lys, "forklarer Qin." Således hvis der findes trillinger i perovskitter, vi skal sandsynligvis få dem af vejen, så de ikke forstyrrer lasingen. "

At gøre dette, forskerne indarbejdede i perovskitterne et organisk lag, der holder trillinger i en lavenergitilstand. Fordi excitonerne vil flytte til lavere energier, de langlivede triplet excitoner overføres fra den lysemitterende del af perovskitten til de organiske lag, derved reducerer tab og tillader lasning under konstant optisk excitation at fortsætte uden afbrydelse. Alternativt kan forskerne fandt ud af, at de også kunne opnå kontinuerlig lasning ved blot at sætte perovskitlaget i luften, da ilt kan ødelægge trillinger, bekræfter yderligere, at tab forårsaget af trillinger er en mulig årsag til lasedød.

I deres bedste optisk drevne enheder, lasningsintensiteten under kontinuerlig drift var næsten uændret efter en time ved stuetemperatur i luft med en relativ fugtighed på 55%, og laserspektrene bevarede sin snæverhed uden at skifte.

"Vi har demonstreret trillernes nøglerolle i laserprocessen af ​​disse typer perovskitter og vigtigheden af ​​at styre trillinger for at opnå kontinuerlig laser, "siger Chihaya Adachi, direktør for Kyushu University's Center for Organic Photonics and Electronics Research og leder af Kyushu University -teamet. "Disse nye fund vil bane vejen for den fremtidige udvikling af en ny klasse af elektrisk betjente lasere baseret på perovskitter, der er billige og let fremstillede."