Les scientifiques parviennent à obtenir un laser en pérovskite piloté électriquement en utilisant un design à double cavité

Le 28 septembre 2025 fonctionnalité par Tejasri Gururaj, Phys.org écrivain contributeur édité par Gaby Clark, révisé par Robert Egan rédacteur scientifique rédacteur associé Cet article a été examiné selon le processus éditorial et les politiques de Science X. Les éditeurs ont souligné les attributs suivants tout en garantissant la crédibilité du contenu: vérifié par des faits publication examinée par des pairs source fiable corrigé Dans une récente étude de Nature, des scientifiques ont démontré un laser en pérovskite à entraînement électrique utilisant une conception à double cavité, répondant à un défi qui persistait dans le domaine depuis plus d'une décennie. Le dispositif laser à double cavité développé par une équipe de l'Université de Zhejiang montre un seuil de déclenchement de l'ordre de grandeur inférieur à celui des lasers organiques à entraînement électrique de pointe et offre une stabilité opérationnelle supérieure avec des capacités de modulation rapides. Phys.org s'est entretenu avec l'équipe de recherche sur leur travail. "La réalisation de lasers en pérovskite à entraînement électrique est vue par de nombreux chercheurs comme le plus grand défi dans le domaine de l'optoélectronique en pérovskite", a déclaré Chen Zou, chercheur à l'Université de Zhejiang et premier auteur de l'étude. "En tant que groupe de recherche travaillant activement sur les LED et lasers en pérovskite, nous sommes très enthousiastes à l'idée de relever ce grand défi." Les semi-conducteurs en pérovskite se sont révélés être des matériaux exceptionnels pour les applications laser en raison de leurs coefficients de gain élevés, de leurs durées de vie des porteurs longues et de leurs longueurs d'onde d'émission accordables. Bien que ces matériaux aient montré des performances de lasing impressionnantes sous pompage optique (où un laser externe excite le pérovskite), le lasing à entraînement électrique est resté insaisissable. "Les pérovskites traitées en solution offrent des avantages tels que des coûts réduits, la facilité d'intégration avec d'autres matériaux, la syntonisation spectrale et des seuils de lasing optiquement pompés faibles, ce qui en fait des matériaux laser très attrayants," a expliqué Baodan Zhao, professeur associé à l'Université de Zhejiang et co-auteur. "Cependant, ces lasers en pérovskite entraînés optiquement nécessitent des sources lumineuses externes pour fonctionner, limitant considérablement leur utilité." Le défi résidait dans le dépassement des obstacles fondamentaux aux niveaux des matériaux et des composants. Au niveau des matériaux, la formation de monocristaux de pérovskite de haute qualité intégrés dans des microstructures reste le principal obstacle. Les courants électriques élevés nécessaires pour le lasing causaient une dégradation sévère des matériaux en pérovskite et une diminution dramatique de l'efficacité. Au niveau du dispositif, deux problèmes critiques demandaient une résolution: améliorer l'éclairement radiant des composants LED en pérovskite à microcavité et maximiser l'efficacité de couplage optique entre les éléments de cavité. L'approche de l'équipe de recherche repose sur une architecture à double cavité intégrée qui divise les fonctions de conversion électrique-optique et d'amplification optique entre deux composants spécialisés. "Sous impulsions électriques, l'émission directionnelle intense de la LED en pérovskite dans la première microcavité est absorbée par le monocristal en pérovskite dans la deuxième microcavité, qui supporte l'amplification de la lumière et le lasing subséquent," a expliqué le Professeur Dawei Di, professeur à l'Université de Zhejiang et co-auteur. Le mécanisme exploite l'ingénierie soigneuse du couplage optique entre les deux cavités. La première microcavité contient une sous-unité LED en pérovskite haute puissance, tandis que la deuxième abrite une microcavité en pérovskite à seuil bas. "La microcavité I est responsable de générer le flux photonique directionnel intense qui entre dans la microcavité II, tandis que la microcavité II est responsable de l'amplification de la lumière et du lasing," a déclaré Zou. La structure architecturale visait à résoudre les défis techniques liés à la qualité des cristaux et à l'efficacité de couplage optique. Le système à double cavité nécessitait l'ingénierie de deux composants en pérovskite distincts avec des fonctions différentes. Le composant de lasing nécessitait la croissance de monocristaux de formamidinium plomb iodure (FAPbI₃) de haute qualité en utilisant une cristallisation de température inverse confinée dans l'espace. Cette technique consiste à faire croître le matériau de pérovskite dans un espace contrôlé entre deux surfaces sur un cycle de température soigneusement contrôlé, qui a duré environ deux jours. La méthode a produit des cristaux d'une qualité exceptionnelle: une rugosité de surface de seulement 0,7 nm et une épaisseur optimisée d'environ 180 nm. Le composant de pompage électrique utilisait une composition de pérovskite différente, Cs₀.₅FA₀.₅PbI₂Br, fabriquée en une LED haute puissance par des méthodes de traitement par solution. Les deux composants étaient intégrés entre des réflecteurs de Bragg distribués avec des propriétés optiques soigneusement conçues pour maximiser le couplage de lumière entre les cavités.'Le rendement de couplage optique entre les deux microcavités a été amélioré à 82,7 % en réduisant la divergence de l'émission de la microcavité I et la distance de couplage entre les deux microcavités,' a déclaré Zhao. Cette efficacité s'est avérée critique. Des études comparatives ont montré que la conception à double cavité permettait une réduction de 4,7 fois du seuil de lasing par rapport à une architecture à cavité unique. Découvrez les dernières avancées en science, technologie et espace avec plus de 100 000 abonnés qui comptent sur Phys.org pour des insights quotidiens. Inscrivez-vous à notre newsletter gratuite et recevez des mises à jour sur les percées, les innovations et les recherches qui comptent - quotidiennement ou hebdomadairement. Le dispositif a atteint des performances notables, en particulier en ce qui concerne le seuil de lasing, qui est une mesure de la densité de courant nécessaire pour obtenir un lasing. Le seuil de lasing a atteint un minimum de 92 A/cm², avec un seuil moyen de 129 A/cm². Cela représente une amélioration d'un ordre de grandeur par rapport aux meilleurs lasers organiques entraînés électriquement. Au-delà du faible seuil, le laser de pérovskite a démontré une demi-vie opérationnelle de 1,8 heures sous excitation pulsée (64 000 impulsions de tension à 10 Hz), surpassant les lasers organiques alimentés électriquement existants. 'En tant que première démonstration, nous avons déjà été surpris par la demi-vie du dispositif de 1,8 heures,' a déclaré Di. 'Bien sûr, la durée de vie est considérée comme très courte d'un point de vue applicatif.' Les chercheurs ont identifié les mécanismes limitatifs principaux comme la migration ionique sous champ électrique et le chauffage Joule sous des courants intenses. 'Ces problèmes pourraient être résolus à l'avenir par une meilleure dissipation de chaleur des dispositifs et une migration ionique supprimée dans les matériaux pérovskites,' a souligné Zhao. De plus, le dispositif a atteint des capacités de modulation impressionnantes, lui conférant des capacités de commutation de laser rapide pour l'encodage d'informations numériques pendant la transmission. Le laser a atteint une bande passante de 36,2 MHz, indiquant qu'il peut s'allumer et s'éteindre 36,2 millions de fois par seconde, avec des temps de montée et de descente respectifs de 5,4 et 5,1 nanosecondes. Cela suggère que le dispositif est réalisable pour des applications de transmission de données optiques. 'Le laser de pérovskite peut être utilisé dans diverses applications telles que la transmission de données optiques, les sources de lumière cohérente dans les puces photoniques intégrées, et les appareils portables,' a déclaré Zou. Les chercheurs ont souligné que ceci représente le début de développements ultérieurs. 'La démonstration des lasers de pérovskite alimentés électriquement n'est que le début. La transition de l'architecture de pompage intégrée que nous utilisons actuellement vers une structure de simple diode laser serait une direction potentielle, car cela permettrait des applications optoélectroniques plus compactes et évolutives,' a expliqué Di. Rédigé pour vous par notre auteur Tejasri Gururaj, édité par Gaby Clark, et vérifié par Robert Egan - cet article est le résultat d'un travail humain soigné. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si cette information vous est importante, veuillez envisager un don (en particulier mensuel). Vous obtiendrez un compte sans publicité en guise de remerciement. Plus d'informations : Chen Zou et al., Electrically driven lasing from a dual-cavity perovskite device, Nature (2025). DOI : 10.1038/s41586-025-09457-2. Informations sur la revue : Nature © 2025 Science X Network