Lasere omkablet:Forskere finder en ny måde at lave nanotrådslasere på

Nanotrådene, med diametre så små som 200 nanometer (milliarddele af en meter) og en blanding af materialer, der også har vist sig effektiv i næste generation af solcelledesign, viste sig at producere meget lys, stabilt laserlys. Forskere siger, at den fremragende ydeevne af disse små lasere er lovende for optoelektronikområdet, som er fokuseret på at kombinere elektronik og lys til at transmittere data, blandt andre applikationer.

Lys kan bære langt flere data, langt hurtigere end standardelektronik - en enkelt fiber i et fiberoptisk kabel, måler mindre end et hårs bredde i diameter, kan føre titusindvis af telefonsamtaler på én gang, for eksempel. Og miniaturisering af lasere til nanoskalaen kan revolutionere computeren yderligere ved at bringe lyshastighedsdatatransmission til desktop og i sidste ende håndholdte computerenheder.

"Det, der er forbløffende, er enkelheden i kemien her, " sagde Peidong Yang, en kemiker i Berkeley Labs Materials Sciences Division, der ledede forskningen, udgivet 9. februar i Proceedings of the National Academy of Sciences . Flere standardteknikker, der producerer nanotråde, kan kræve dyrt udstyr og eksotiske forhold, såsom høje temperaturer, og kan lide af andre mangler.

Forskerholdet udviklede en simpel kemisk dyppeopløsningsproces til at producere en selvsamlet blanding af krystaller i nanoskala, plader og tråde bestående af cæsium, bly og brom (med den kemiske formel:CsPbBr3). Den samme kemiske blanding, med en molekylær arkitektur sammensat af kubelignende krystalstrukturer, har også vist sig effektiv i en ny bølge af nye designs til højeffektive solceller.

"Det meste af det tidligere arbejde med disse typer materialer er fokuseret på disse solenergiapplikationer, " sagde Yang, som også har aftaler med UC Berkeley og Kavli Energy NanoScience Institute ved Berkeley Lab og UC Berkeley. "Der har været så store fremskridt med disse materialer i løbet af de sidste mange år - jeg har en fornemmelse af, at disse materialer også vil åbne en ny forskningsfront for optoelektronik, " han sagde, og i det bredere felt af fotonik, som er fokuseret på at bruge lys til en række applikationer.

"Hele formålet med at udvikle lasere i nanostørrelse er at forbinde fotoniske (lysbaserede) enheder med elektroniske enheder problemfrit, " sagde Yang, "i skalaer, der er relevante for nutidens computerchips. I dag, disse fotoniske enheder kan være omfangsrige."

Yangs forskerhold var banebrydende i udviklingen af ​​nanotrådlasere for næsten 15 år siden ved hjælp af en anden blanding af materialer, herunder zinkoxid (ZnO) og galliumnitrid (GaN). Men disse og andre, mere konventionelle kombinationer af materialer, der bruges til at fremstille nanolasere, har mangler, der kan omfatte begrænset tunbarhed, lav lysstyrke eller dyre fremstillingsprocesser.

I dette seneste værk, forskerholdet opdagede, hvordan man fremstiller nanotråde ved at dyppe en tynd blyholdig film i en methanolopløsning indeholdende cæsium, brom og klor opvarmet til omkring 122 grader Fahrenheit. En blanding af cæsium blybromid krystallinske strukturer dannet, inklusive nanotråde med en diameter fra 200 til 2, 300 nanometer (0,2 til 2,3 mikron) og en længde fra 2 til 40 mikron.

Udvalgte nanotråde, der blev brugt i eksperimentet, blev placeret på en kvartsbase og ophidset af en anden laserkilde, der fik dem til at udsende lys. Forskere fandt ud af, at nanotrådlaserne udsendte lys i over 1 milliard cyklusser efter at være blevet ramt af en ultrahurtig puls af synlig, violet lys, der varede kun hundrededele af kvadrilliontedele af sekunder, som Yang sagde viste bemærkelsesværdig stabilitet.

Yang sagde, hvad han ved, at disse nanotråde kan være de første til at udsende laserlys ved hjælp af en fuldstændig uorganisk (ikke indeholdende kulstof) blanding af materialer. Forskere viste, at nanotrådslaserne kunne indstilles til en række lys, herunder synlige grønne og blå bølgelængder.

Nanotrådene har en krystalstruktur, der ligner den af ​​et naturligt forekommende mineral kendt som perovskit. Forskere studerede deres struktur med en teknik kendt som transmissionselektronmikroskopi ved National Center for Electron Microscopy, del af Berkeley Labs Molecular Foundry. Molecular Foundry er en DOE Office of Science User Facility.

Nanotrådenes krystallinske struktur minder meget om salt, hvilket gør dem modtagelige for skader fra fugt i luften, sagde Yang.

"Det er en svaghed - noget vi er nødt til at studere og forstå, hvordan vi kan forbedre, " sagde han. Det kan være muligt at belægge nanotrådene med polymerer eller andet materiale for at gøre dem mere skadesbestandige, han sagde. Der er også muligheder for at teste andre materialer og lære, om de forbedrer ydeevnen, han sagde, såsom at erstatte bly med tin.

Ted Sargent, en nanoteknologiforsker og professor ved University of Toronto, der er bekendt med undersøgelsen, sagde, "Resultaterne indikerer et betydeligt løfte for perovskit nanomaterialer i lasering." Også, han sagde, nanolasernes stabilitet, som viste sig at fungere i luften i mere end en time, var "imponerende".

Yang sagde, "Dette felt er i hastig udvikling. Vi hoppede lige ind i dette felt for kun 12 måneder siden, og disse lasere er allerede fantastiske, lyse udsender. Det er bare så spændende."