Científicos logran un láser de perovskita impulsado eléctricamente utilizando un diseño de doble cavidad
28 de septiembre de 2025 feature
por Tejasri Gururaj, Phys.org
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editado por Gaby Clark, revisado por Robert Egan
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En un estudio reciente de Nature, los científicos han demostrado un láser de perovskita impulsado eléctricamente utilizando un diseño de doble cavidad, abordando un desafío que ha persistido en el campo durante más de una década.
El dispositivo láser de doble cavidad desarrollado por un equipo de la Universidad de Zhejiang muestra un umbral de emisión láser un orden de magnitud más bajo que los láseres orgánicos impulsados eléctricamente de última generación y ofrece una estabilidad operativa superior con capacidades de modulación rápidas.
Phys.org habló con el equipo de investigación sobre su trabajo.
"Realizar láseres de perovskita impulsados eléctricamente es visto por muchos investigadores como el desafío más grande en el campo de la optoelectrónica de perovskita", dijo Chen Zou, Investigador de la Universidad de Zhejiang y primer autor del estudio. "Como grupo de investigación que trabaja activamente en LEDs y láseres de perovskita, estamos muy emocionados de abordar este gran desafío".
Los semiconductores de perovskita han surgido como materiales excepcionales para aplicaciones láser debido a sus altos coeficientes de ganancia, largos tiempos de vida de los portadores y longitudes de onda de emisión ajustables.
A pesar de que estos materiales demostraron un rendimiento láser impresionante bajo bombeo óptico (donde un láser externo excita la perovskita), la emisión láser impulsada eléctricamente se mantuvo elusiva.
"Las perovskitas procesadas por solución ofrecen ventajas como bajo costo, facilidad de integración con otros materiales, sintonización del espectro y umbrales de emisión por láser bombeados ópticamente bajos, lo que las convierte en materiales láser muy atractivos", explicó Baodan Zhao, Profesor Asociado en la Universidad de Zhejiang y coautor.
"Sin embargo, estos láseres de perovskita impulsados ópticamente requieren fuentes de luz externas para operar, lo que limita significativamente su utilidad".
El desafío radicaba en superar barreras fundamentales tanto a nivel de material como de dispositivo.
En el nivel de material, la formación de cristales simples de perovskita de alta calidad incrustados en microestructuras sigue siendo el principal obstáculo. Las corrientes eléctricas altas necesarias para la emisión láser causaron que los materiales de perovskita sufrieran degradación severa y una caída dramática en la eficiencia.
En el nivel del dispositivo, dos problemas críticos demandaban solución: mejorar la exitancia radiante de los componentes de LED de perovskita en microcavidad y maximizar la eficiencia de acoplamiento óptico entre los elementos de cavidad.
El enfoque del equipo de investigación se centra en una arquitectura de doble cavidad integrada que divide las funciones de conversión eléctrico-óptica y amplificación óptica entre dos componentes especializados.
"Bajo pulsos eléctricos, la emisión direccional intensa del LED de perovskita en la primera microcavidad es absorbida por el cristal simple de perovskita en la segunda microcavidad, que soporta la amplificación de la luz y la subsiguiente emisión láser", explicó el Prof. Dawei Di, Profesor en la Universidad de Zhejiang y coautor.
El mecanismo explota la ingeniería cuidadosa del acoplamiento óptico entre las dos cavidades. La primera microcavidad contiene una subunidad LED de perovskita de alta potencia, mientras que la segunda alberga una microcavidad de perovskita de umbral bajo.
"La microcavidad I es responsable de generar el flujo de fotones direccional intenso que ingresa a la microcavidad II, mientras que la microcavidad II es responsable de la amplificación de la luz y la emisión láser", dijo Zou.
La estructura arquitectónica se enfocó en resolver desafíos técnicos relacionados con la calidad del cristal y la eficiencia de acoplamiento óptico.
El sistema de doble cavidad requería el diseño de dos componentes de perovskita distintos con funciones diferentes.
El componente emisor láser requería el crecimiento de cristales simples de alta calidad de yoduro de plomo de formamidinio (FAPbI₃) utilizando cristalización de temperatura inversa confinada en el espacio. Esta técnica implica hacer crecer el material de perovskita dentro de un espacio controlado entre dos superficies durante un ciclo de temperatura cuidadosamente controlado, que duró alrededor de dos días.
El método produjo cristales de calidad excepcional: una rugosidad de superficie de solo 0.7 nm y un grosor optimizado de aproximadamente 180 nm.
El componente de bombeo eléctrico utilizó una composición de perovskita diferente, Cs₀.₅FA₀.₅PbI₂Br, fabricada en un LED de alta potencia mediante métodos de procesamiento de soluciones.
Ambos componentes fueron incrustados entre reflectores distribuidos de Bragg con propiedades ópticas cuidadosamente diseñadas para maximizar el acoplamiento de luz entre las cavidades.
'La eficiencia de acoplamiento óptico entre las dos microcavidades se mejoró al 82,7% al reducir la divergencia de la emisión de la microcavidad I y la distancia de acoplamiento entre las dos microcavidades', dijo Zhao.
Esta eficiencia resultó ser crítica. Estudios comparativos mostraron que el diseño de doble cavidad logró una reducción de 4,7 veces en el umbral de la emisión láser en comparación con una arquitectura de cavidad única.
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El dispositivo alcanzó métricas de rendimiento notable, especialmente el umbral de emisión láser, que es una medida de la densidad de corriente necesaria para lograr la emisión láser. El umbral de emisión láser alcanzó un mínimo de 92 A/cm², con un umbral promedio de 129 A/cm². Esto representa una mejora de un orden de magnitud sobre los mejores láseres orgánicos impulsados eléctricamente.
Más allá del bajo umbral, el láser de perovskita demostró una vida media operativa de 1,8 horas bajo excitación pulsada (64,000 pulsos de voltaje a 10 Hz), superando a los láseres orgánicos existentes impulsados eléctricamente.
'Como primera demostración, ya nos sorprendió la vida media del dispositivo de 1,8 horas', dijo Di. 'Por supuesto, la vida útil se considera muy corta desde un punto de vista de aplicación.'
Los investigadores identificaron como mecanismos limitantes principales la migración de iones bajo campos eléctricos y el calentamiento de Joule bajo corrientes intensas.
'Estos podrían resolverse en el futuro mediante una mejor disipación de calor de los dispositivos y una migración de iones suprimida en los materiales de perovskita', señaló Zhao.
Además, el dispositivo logró capacidades de modulación impresionantes, lo que le otorga capacidades de conmutación rápida de láser para la codificación de información digital durante la transmisión.
El láser logró un ancho de banda de 36,2 MHz, lo que indica que puede encenderse y apagarse 36,2 millones de veces por segundo, con tiempos de subida y bajada de 5,4 y 5,1 nanosegundos, respectivamente. Esto sugiere que el dispositivo es factible para aplicaciones de transmisión de datos ópticos.
'El láser de perovskita puede usarse en diversas aplicaciones como transmisión de datos ópticos, fuente de luz coherente en chips fotónicos integrados y dispositivos ponibles', dijo Zou.
Los investigadores enfatizaron que esto representa el comienzo de un mayor desarrollo.
'La demostración de los láseres de perovskita impulsados eléctricamente es solo el principio. La transición desde la arquitectura de bombeo integrada que usamos actualmente a una estructura de diodo láser simple sería una dirección potencial, ya que esto permitiría aplicaciones optoelectrónicas más compactas y escalables', explicó Di.
Escrito para ti por nuestra autora Tejasri Gururaj, editado por Gaby Clark y verificado y revisado por Robert Egan—este artículo es el resultado de un trabajo humano cuidadoso. Dependemos de lectores como tú para mantener viva la periodismo científico independiente. Si esta información es importante para ti, por favor considera hacer una donación (especialmente mensual). Obtendrás una cuenta sin publicidad como agradecimiento.
Más información: Chen Zou et al, Emisión láser impulsada eléctricamente desde un dispositivo de perovskita de doble cavidad, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09457-2.
Información del diario: Nature
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