Wetenschappers bereiken elektrisch aangedreven perovskiet laser met behulp van een dubbele-cavitie ontwerp

28 september 2025

door Tejasri Gururaj, Phys.org

medewerker

bewerkt door Gaby Clark, beoordeeld door Robert Egan

wetenschappelijk redacteur

associate redacteur

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben onderstaande kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

feiten gecontroleerd

door vakgenoten beoordeelde publicatie

betrouwbare bron

gecontroleerd op fouten

In een recente studie in Nature hebben wetenschappers een op elektriciteit aangedreven perovskiet laser gedemonstreerd met behulp van een dubbele-cavitie ontwerp, waarmee een uitdaging wordt aangepakt die al meer dan een decennium in het veld heeft bestaan.

De dubbele-cavitie laserapparaat ontwikkeld door een team van de Zhejiang University toont een drempelwaarde voor lasing die een orde van grootte lager is dan van state-of-the-art elektrisch aangedreven organische lasers en biedt superieure operationele stabiliteit met snelle modulatie mogelijkheden.

Phys.org sprak met het onderzoeksteam over hun werk.

'Het realiseren van op elektriciteit aangedreven perovskiet lasers wordt door veel onderzoekers gezien als de grootste uitdaging in het veld van de perovskiet opto-elektronica,' zei Chen Zou, Onderzoeker bij de Zhejiang University en eerste auteur van de studie. 'Als onderzoeksgroep die actief werkt aan perovskiet LEDs en lasers, zijn we zeer enthousiast om deze grote uitdaging aan te gaan.'

Perovskiet halfgeleiders zijn opmerkelijke materialen gebleken voor laser toepassingen vanwege hun hoge versterkingscoëfficiënten, lange dragerlevensduur en instelbare emissiegolflengtes.

Hoewel deze materialen indrukwekkende lasing prestaties vertoonden onder optische pomping (waarbij een externe laser de perovskiet opwekt), bleef elektrisch aangedreven lasing ongrijpbaar.

'Oplossingsverwerkte perovskieten bieden voordelen zoals lage kosten, de gemakkelijke integratie met andere materialen, spectruminstelbaarheid en lage optisch gepompte lasing drempels, waardoor ze zeer aantrekkelijke laser materialen zijn,' legde Baodan Zhao, Hoogleraar aan de Zhejiang University en mede-auteur uit.

'Echter, deze optisch aangedreven perovskiet lasers hebben externe lichtbronnen nodig om te werken, wat hun bruikbaarheid aanzienlijk beperkt.'

De uitdaging lag in het overwinnen van fundamentele barrières op zowel materiaal- als apparaatniveau.

Op materiaalniveau blijft het vormen van hoogwaardige perovskiet enkele kristallen ingebed binnen microstructuren de belangrijkste obstakel. De hoge elektrische stromen die nodig zijn voor lasing veroorzaakten ernstige degradatie van perovskiet materialen en een dramatische afname in efficiëntie.

Op apparaatniveau vereisten twee kritische kwesties oplossing: het verbeteren van de stralende uitgang van microcavitie perovskiet LED componenten en het maximaliseren van de optische koppelings efficiëntie tussen caviteitselementen.

De aanpak van het onderzoeksteam richt zich op een geïntegreerde dubbele-cavitie architectuur die de functies van elektrisch-naar-optische conversie en optische versterking verdeelt tussen twee gespecialiseerde componenten.

'Onder elektrische pulsen wordt de intense directionele emissie van de perovskiet LED in de eerste microcavitie geabsorbeerd door de perovskiet enkele kristal in de tweede microcavitie, die lichtversterking ondersteunt en de daaropvolgende lasing,' legde Prof. Dawei Di, Professor aan de Zhejiang University en mede-auteur uit.

Het mechanisme maakt gebruik van zorgvuldige en geregisseerd koppeling van optica tussen de twee caviteiten. De eerste microcavitie bevat een high-power perovskiet LED subcomponent, terwijl de tweede een lage drempel enkel-kristal perovskiet microcavitie bevat.

'Microcavitie I is verantwoordelijk voor het genereren van intense directionele fotonen flux die in de microcavitie II gaat, terwijl de microcavitie II verantwoordelijk is voor lichtversterking en lasing,' aldus Zou.

De architectonische structuur richtte zich op het oplossen van technische uitdagingen met betrekking tot kristalkwaliteit en optische koppelings efficiëntie.

Het dubbele-cavitie systeem vereiste het ontwerpen van twee afzonderlijke perovskiet componenten met verschillende functies.

De lasing component vereiste het kweken van hoogwaardige enkele kristallen van formamidinium lood jodide (FAPbI₃) met behulp van ruimte-beperkte inversie temperatuur kristallisatie. Deze techniek houdt in dat het perovskiet materiaal wordt gekweekt binnen een gecontroleerde ruimte tussen twee oppervlakken gedurende een zorgvuldig gecontroleerde temperatuurcyclus, die ongeveer twee dagen duurde.

De methode produceerde kristallen van uitzonderlijke kwaliteit: een oppervlakteruwheid van slechts 0,7 nm en een geoptimaliseerde dikte van ongeveer 180 nm.

Het elektrische pomp component gebruikte een andere perovskiet samenstelling, Cs₀.₅FA₀.₅PbI₂Br, vervaardigd tot een high-power LED via oplossingverwerkingsmethoden.

Beide componenten waren ingebed tussen verdeelde Bragg reflectoren met zorgvuldig ontworpen optische eigenschappen om het lichtkoppeling tussen de caviteiten te maximaliseren.

'De optische koppelingsrendabiliteit tussen de twee microholtes werd verbeterd tot 82,7% door de divergentie van de emissie van microholte I en de koppelingsafstand tussen de twee microholtes te verkleinen,' aldus Zhao.

Deze rendabiliteit bleek cruciaal te zijn. Uit vergelijkende studies bleek dat het dubbelholte-ontwerp een 4,7-voudige verlaging van de lasdrempel bereikte in vergelijking met een enkelholte-architectuur.

Ontdek het nieuwste op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je aan voor onze gratis nieuwsbrief en krijg updates over doorbraken, innovaties en onderzoek die ertoe doen - dagelijks of wekelijks.

Het apparaat behaalde opmerkelijke prestatie-indicatoren, met name de lasdrempel, wat een maatstaf is voor de stroomdichtheid die nodig is om lasing te bereiken. De lasdrempel bereikte een minimum van 92 A/cm², met een gemiddelde drempel van 129 A/cm². Dit vertegenwoordigt een verbetering van een orde van grootte ten opzichte van de beste elektrisch aangedreven organische lasers.

Naast de lage drempel heeft de perovskietlaser een operationele levensduur van 1,8 uur onder pulserende excitatie (64.000 spanningspulsen bij 10 Hz) gedemonstreerd en presteerde daarbij beter dan bestaande elektrisch aangedreven organische lasers.

'Als eerste demonstratie waren we al verrast door de levensduur van het apparaat van 1,8 uur,' aldus Di. 'Natuurlijk wordt de levensduur vanuit toepassingsstandpunt als erg kort beschouwd.'

De onderzoekers identificeerden ionenmigratie onder elektrische velden en Joule-verwarming onder intense stromen als primaire beperkende mechanismen.

'Deze zouden in de toekomst kunnen worden opgelost door verbeterde warmteafvoer van de apparaten en onderdrukking van ionenmigratie in de perovskietmaterialen,' merkte Zhao op.

Bovendien behaalde het apparaat indrukwekkende modulatiecapaciteiten, waardoor het snelle laseromschakelingsmogelijkheden kreeg voor digitale informatie-encodering tijdens transmissie.

De laser bereikte een bandbreedte van 36,2 MHz, wat aangeeft dat hij 36,2 miljoen keer per seconde kan aan- en uitschakelen, met stijg- en daaltijden van respectievelijk 5,4 en 5,1 nanoseconden. Dit suggereert dat het apparaat geschikt is voor optische gegevensoverdrachtstoepassingen.

'De perovskietlaser kan worden gebruikt in diverse toepassingen zoals optische gegevensoverdracht, samenhangende lichtbron in geïntegreerde fotonische chips en draagbare apparaten,' zei Zou.

De onderzoekers benadrukten dat dit het begin van verdere ontwikkeling vertegenwoordigt.

'De demonstratie van elektrisch aangedreven perovskietlasers is slechts het begin. De overgang van de geïntegreerde pompopstelling die we momenteel gebruiken naar een eenvoudige laserdiode-structuur zou een mogelijke richting zijn, aangezien dit meer compacte en schaalbare opto-elektronische toepassingen mogelijk zou maken,' legde Di uit.

Geschreven voor u door onze auteur Tejasri Gururaj, bewerkt door Gaby Clark, en nagekeken door Robert Egan - dit artikel is het resultaat van zorgvuldig menselijk werk. We vertrouwen op lezers zoals u om onafhankelijke wetenschapsjournalistiek in leven te houden. Als deze berichtgeving belangrijk voor u is, overweeg dan een donatie (vooral maandelijks). U krijgt een advertentieloos account als dank.

Meer informatie: Chen Zou et al, Electrically driven lasing from a dual-cavity perovskite device, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09457-2.

Tijdschriftinformatie: Nature

© 2025 Science X Network