I ricercatori dell’Università di Zhejiang hanno trovato un modo per bloccare la ricombinazione Auger, che compromette le prestazioni dei laser a perovskite, producendo un laser con un’efficienza senza precedenti, che apre la strada a dispositivi ottici pronti per essere integrati nei chip.
I ricercatori dell’Università di Zhejiang hanno sviluppato un metodo di elaborazione che sopprime la ricombinazione Auger nei film di perovskite, dando luogo a un laser ad alta efficienza adatto a dispositivi ottici pronti per essere integrati nei chip.
Gli attuali laser commerciali sono per lo più realizzati con semiconduttori III-V coltivati su substrati specializzati, un processo che li rende difficili e costosi da combinare con la tecnologia del silicio tradizionale. I film di perovskite completamente inorganici si sono affermati come un’alternativa promettente perché possono essere prodotti a basso costo, funzionano con molti tipi di substrato e offrono ottime proprietà ottiche. Ma c’è un problema: a temperatura ambiente, è stato difficile far funzionare i laser a perovskite in modalità continua o quasi continua senza perdere rapidamente i portatori di carica a causa di un effetto noto come ricombinazione Auger.
Laser a perovskite con prestazioni migliorate
Il team di ricerca dell’Università di Zhejiang ha ora dimostrato un metodo semplice per superare questo problema, portando a prestazioni record per i laser a perovskite in funzionamento quasi continuo. Come riportato su Advanced Photonics, il loro approccio utilizza un additivo volatile di ammonio durante il processo di ricottura dei film di perovskite policristallina. Questo additivo innesca una “ricostruzione di fase” che rimuove le fasi a bassa dimensionalità indesiderate, riducendo i canali che accelerano la ricombinazione Auger. Il risultato è una struttura 3D pura che preserva meglio i portatori di carica necessari per l’emissione laser, senza aggiungere perdite ottiche significative.
Per comprendere il miglioramento delle prestazioni del laser, i ricercatori dell’Università di Zhejiang hanno analizzato il modo in cui elettroni e lacune si ricombinano in diverse condizioni di pompaggio. La ricombinazione Auger, in cui l’energia di una coppia elettrone-lacuna in fase di ricombinazione viene ceduta a un altro portatore invece di essere emessa sotto forma di luce, diventa particolarmente problematica quando la luce in ingresso viene erogata tramite impulsi più lunghi o fasci continui. In queste situazioni, l’iniezione di portatori avviene su una scala temporale simile o superiore alla vita media di Auger, portando a una rapida perdita di portatori e impedendo l’accumulo di inversione di popolazione necessaria per l’emissione laser. Sopprimendo questo processo, i ricercatori sono stati in grado di mantenere le densità di portatori necessarie per un’emissione stimolata efficiente.
Con i loro film ottimizzati, il team ha costruito un laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL) monomodale che ha raggiunto una bassa soglia di emissione laser di 17,3 μJ/cm² e un impressionante fattore di qualità di 3850 con pompaggio quasi continuo di nanosecondi. Questa prestazione rappresenta la migliore finora riportata per un laser a perovskite in questo regime.
I risultati indicano un percorso pratico per realizzare laser a perovskite ad alte prestazioni che potrebbero funzionare in condizioni di onda continua o alimentate elettricamente, traguardi fondamentali per la loro integrazione in futuri chip fotonici e dispositivi optoelettronici potenzialmente flessibili o indossabili.
Foto: Zhejiang University
