Gli scienziati hanno realizzato un laser al perovskite a guida elettrica utilizzando un design a doppia cavità

28 settembre 2025 feature

di Tejasri Gururaj, Phys.org

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modificato da Gaby Clark, revisore Robert Egan

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In uno studio recente pubblicato su Nature, gli scienziati hanno dimostrato un laser al perovskite ad alimentazione elettrica utilizzando un design a doppia cavità, affrontando una sfida che è persistita nel campo da oltre un decennio.

Il dispositivo laser a doppia cavità sviluppato da un team dell'Università di Zhejiang mostra una soglia di emissione di un ordine di grandezza inferiore rispetto ai migliori laser organici ad alimentazione elettrica e offre una stabilità operativa superiore con capacità di modulazione rapida.

Phys.org ha parlato con il team di ricerca riguardo al loro lavoro.

"Realizzare laser al perovskite ad alimentazione elettrica è considerato da molti ricercatori la sfida più grande nel campo dell'optoelettronica perovskite," ha detto Chen Zou, Ricercatore presso l'Università di Zhejiang e primo autore dello studio. "Come gruppo di ricerca attivamente impegnato nei LED e laser perovskite, siamo molto entusiasti di affrontare questa grande sfida."

I semiconduttori perovskite sono emersi come materiali eccezionali per le applicazioni laser grazie ai loro elevati coefficienti di guadagno, lunghe vite dei portatori e lunghezze d'onda di emissione regolabili.

Anche se questi materiali hanno dimostrato un'ottima performance di emissione laser sotto pompaggio ottico (dove un laser esterno eccita il perovskite), la luce emessa tramite alimentazione elettrica è rimasta elusiva.

"I perovskiti processati in soluzione offrono vantaggi come basso costo, facilità di integrazione con altri materiali, regolabilità dello spettro e bassi valori di soglia luminosa con pompaggio ottico, rendendoli materiali laser molto attraenti," ha spiegato Baodan Zhao, Professore Associato presso l'Università di Zhejiang e co-autore.

"Tuttavia, questi laser al perovskite alimentati otticamente richiedono fonti di luce esterne per funzionare, limitandone significativamente l'utilità."

La sfida consisteva nel superare le barriere fondamentali a livello di materiale e di dispositivo.

A livello di materiale, la formazione di cristalli singoli di perovskite di alta qualità incorporati all'interno di microstrutture rimaneva l'ostacolo principale. I forti flussi di corrente elettrica necessari per l'emissione laser causavano una grave degradazione dei materiali perovskiti e un drammatico calo dell'efficienza.

A livello di dispositivo, due problematiche critiche richiedevano risoluzione: migliorare l'emissione luminosa dei componenti LED perovskite a microcavità e massimizzare l'efficienza di accoppiamento ottico tra gli elementi delle cavità.

L'approccio del team di ricerca si concentra su una struttura a doppia cavità integrata che suddivide le funzioni di conversione elettrica-ottica e amplificazione ottica tra due componenti specializzati.

"Sotto impulsi elettrici, l'intensa emissione direzionale dal LED al perovskite nella prima microcavità viene assorbita dal cristallo singolo al perovskite nella seconda microcavità, che supporta l'amplificazione luminosa e la successiva emissione laser," ha spiegato il Prof. Dawei Di, Professore presso l'Università di Zhejiang e co-autore.

Il meccanismo sfrutta un attento ingegneria dell'accoppiamento ottico tra le due cavità. La prima microcavità contiene un sotto-unità LED al perovskite ad alta potenza, mentre la seconda ospita una microcavità al perovskite a singolo cristallo con bassa soglia.

"La microcavità I è responsabile della generazione del flusso di fotoni direzionale intenso che entra nella microcavità II, mentre la microcavità II è responsabile dell'amplificazione luminosa e dell'emissione laser," ha detto Zou.

La struttura architettonica si è concentrata sulla risoluzione delle sfide tecniche legate alla qualità del cristallo e all'efficienza dell'accoppiamento ottico.

Il sistema a doppia cavità richiedeva l'ingegnerizzazione di due distinti componenti perovskite con funzioni differenti.

Il componente di emissione laser richiedeva la crescita di singoli cristalli di alta qualità di ioduro di piombo di formamidinium (FAPbI₃) utilizzando un processo di cristallizzazione a temperatura inversa a spazio confinato. Questa tecnica consiste nella crescita del materiale perovskite all'interno di uno spazio controllato tra due superfici su un ciclo di temperatura accuratamente controllato, della durata di circa due giorni.

Il metodo ha prodotto cristalli di eccezionale qualità: una ruvidezza superficiale di soli 0,7 nm e uno spessore ottimizzato di circa 180 nm.

Il componente di alimentazione elettrica utilizzava una composizione perovskite diversa, Cs₀.₅FA₀.₅PbI₂Br, fabbricata in un LED ad alta potenza mediante metodi di lavorazione in soluzione.

Entrambi i componenti erano incorporati tra riflettori di Bragg distribuiti con proprietà ottiche attentamente ingegnerizzate per massimizzare l'accoppiamento di luce tra le cavità.

'L'efficienza di accoppiamento ottico tra le due microcavità è stata migliorata all'82,7% riducendo la divergenza dell'emissione dalla microcavità I e la distanza di accoppiamento tra le due microcavità,' ha detto Zhao.

Questa efficienza si è dimostrata critica. Studi comparativi hanno mostrato che il design a doppia cavità ha ottenuto una riduzione del 4,7 volte della soglia di emissione laser rispetto a un'architettura a singola cavità.

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Il dispositivo ha raggiunto metriche di prestazioni notevoli, in particolare la soglia di emissione laser, che è una misura della densità di corrente necessaria per ottenere l'emissione laser. La soglia di emissione laser ha raggiunto un minimo di 92 A/cm², con una soglia media di 129 A/cm². Questo rappresenta un miglioramento di un ordine di grandezza rispetto ai migliori laser organici alimentati elettricamente.

Oltre alla soglia bassa, il laser a perovskite ha dimostrato un'operatività con mezza vita di 1,8 ore sotto eccitazione impulsiva (64.000 impulsi di tensione a 10 Hz), superando i laser organici attualmente alimentati elettricamente.

'Come prima dimostrazione, siamo stati già sorpresi dalla mezza vita del dispositivo di 1,8 ore,' ha detto Di. 'Naturalmente, la durata è considerata molto breve dal punto di vista dell'applicazione.'

I ricercatori hanno identificato i principali meccanismi limitanti come la migrazione degli ioni sotto campi elettrici e il surriscaldamento Joule in presenza di correnti intense.

'Questi potrebbero essere risolti in futuro migliorando la dissipazione del calore dei dispositivi e sopprimendo la migrazione degli ioni nei materiali a perovskite,' ha osservato Zhao.

Inoltre, il dispositivo ha ottenuto capacità di modulazione impressionanti, conferendogli capacità di commutazione laser rapida per la codifica delle informazioni digitali durante la trasmissione.

Il laser ha ottenuto una larghezza di banda di 36,2 MHz, indicando che può accendersi e spegnersi 36,2 milioni di volte al secondo, con tempi di salita e discesa rispettivamente di 5,4 e 5,1 nanosecondi. Ciò suggerisce che il dispositivo sia adatto per applicazioni di trasmissione di dati ottici.

'Il laser a perovskite può essere utilizzato in varie applicazioni come la trasmissione di dati ottici, la fonte di luce coerente nei chip fototonici integrati e i dispositivi indossabili,' ha detto Zou.

I ricercatori hanno sottolineato che questo rappresenta l'inizio di ulteriori sviluppi.

'La dimostrazione dei laser a perovskite alimentati elettricamente è solo l'inizio. Il passaggio dall'attuale architettura di pompaggio integrata a una struttura di diodo laser semplice potrebbe essere una direzione potenziale, poiché ciò consentirebbe applicazioni optoelettroniche più compatte e scalabili,' ha spiegato Di.

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Maggiori informazioni: Chen Zou et al, Emissione laser guidata elettricamente da un dispositivo a doppia cavità di perovskite, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09457-2.

Informazioni sulla rivista: Nature

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