Forskare uppnår en elektriskt driven perovskitlaser med dubbelhålsdesign.

28 september 2025 av Tejasri Gururaj, Phys.org bidragande skribent redigerad av Gaby Clark, granskad av Robert Egan vetenskaplig redaktör associerad redaktör Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörer har framhävt följande attribut samtidigt som de säkerställt trovärdigheten hos innehållet: faktakontrollerad peer-reviewed publicering pålitlig källa korrekturläst I en nylig studie i Nature har forskare visat en elektriskt driven perovskitlaser med en dubbelsidig cavitedesign, vilket adresserar en utmaning som har varit närvarande inom området i över ett årtionde. Den dubbelsidiga lasepenheten som utvecklats av ett team från Zhejiang University visar en lasingtröskel som är en storleksordning lägre än state-of-the-art elektriskt driven organisk lasrar och erbjuder överlägsen operationell stabilitet med snabba moduleringsmöjligheter. Phys.org intervjuade forskarlaget om deras arbete. "Att realisera elektriskt driven perovskitlasrar ses av många forskare som den största utmaningen inom området för perovskit optoelektronik," sa Chen Zou, forskare vid Zhejiang University och första författare till studien. "Som en forskargrupp som aktivt arbetar med perovskit-LED:er och lasrar är vi mycket spända över att ta itu med denna stora utmaning." Perovskit halvledare har framträtt som exceptionella material för laserapplikationer på grund av deras höga förstärkningskoefficienter, långa bärarlivslängder och justerbara emissionsvåglängder. Även om dessa material visade imponerande laseprestanda under optisk pumpning (där en extern laser exciterar perovskiten) förblev elektriskt driven lasing svårförståelig. "Lösdeieprocessade perovskiter erbjuder fördelar inklusive låg kostnad, enkel integration med andra material, spektrumentunabilitet och låga optiskt pumpade lasingtrösklar, vilket gör dem mycket attraktiva lasermaterial," förklarade Baodan Zhao, associate professor vid Zhejiang University och medförfattare. "Men dessa optiskt driven perovskitlasrar kräver externa ljuskällor för att fungera och begränsar deras användbarhet betydligt." Utmaningen låg i att övervinna grundläggande barriärer på både material- och enhetsnivåer. På materialetts nivå ligger det största hindret i att bilda högkvalitativa perovskit enskilda kristaller inbäddade inom mikrostrukturer. De höga elektriska strömmar som behövdes för lasing ledde till att perovskitmaterialen drabbades av allvarlig nedbrytning och dramatisk effektavtagning. På enhetsnivå krävde två avgörande frågor en lösning: att förbättra strålens utgångseffekt hos mikrohålrum för perovskit-LED-komponenter och att maximera optisk kopplingseffektiviteten mellan hålrumselementen. Forskargruppens tillvägagångssätt fokuserar på en integrerad dubbelhålsstruktur som delar funktionerna för elektrisk-till-optisk omvandling och optisk förstärkning mellan två specialiserade komponenter. "Under elektriska pulser absorberas den intensiva riktade emissionen från perovskit-LED i det första mikrohåret av den perovskit enskilda kristallen i det andra mikrohåret, vilket stödjer ljusförstärkningen och den efterföljande lasingen," förklarade prof. Dawei Di, professor vid Zhejiang University och medförfattare. Mekanismen utnyttjar noggrann ingenjörskonst för optisk koppling mellan de två hålen. Det första mikrohåret innehåller en högeffekts perovskit-LED-del, medan det andra inrymmer ett lågtröskel enstaka kristall perovskit mikrohålrum. "Hålrum I är ansvarig för att generera den intensiva riktade fotonflödet som går in i hålrum II, medan hålrum II är ansvarig för ljusförstärkningen och lasingen," sa Zou. Den arkitektoniska strukturen inriktades på att lösa tekniska utmaningar relaterade till kristalkvalitet och optisk kopplingseffektivitet. Det dubbla hålsystemet krävde att två distinkta perovskitkomponenter med olika funktioner utformades. Lasekomponenten krävde att högkvalitativa enstaka kristaller av formamidinium blyjodid (FAPbI₃) odlades med hjälp av en begränsad invecklad temperaturkristallisation. Denna teknik innebär att perovskitmaterialet växer inom ett kontrollerat utrymme mellan två ytor över en noggrant styr temperaturecykel, som varade cirka två dagar. Metoden producerade kristaller av exceptionell kvalitet: en ytruffhet på endast 0,7 nm och en optimerad tjocklek på cirka 180 nm. Den elektriska pumpkomponenten använde en annan perovskitsammansättning, Cs₀.₅FA₀.₅PbI₂Br, som tillverkades till en högeffekts LED genom lösningsslagningsmetoder. Båda komponenterna inbäddades mellan distribuerade Bragg-reflektorer med noggrant utformade optiska egenskaper för att maximera ljuskopplingen mellan hålrummen.'Kopplingseffektiviteten mellan de två mikrocaviteter förbättrades till 82,7% genom att minska divergensen från emissionen från mikrocaviteten I och kopplingsavståndet mellan de två mikrocaviteter,' sa Zhao. Denna effektivitet visade sig vara avgörande. Jämförande studier visade att den dubbla kavitetsdesignen uppnådde en 4,7-faldig minskning av lasingtröskeln jämfört med en ensam kavitetsarkitektur. Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymden med över 100 000 prenumeranter som förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Registrera dig för vårt gratis nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som spelar roll - dagligen eller veckovis. Enheten uppnådde anmärkningsvärda prestationsmått, särskilt lasingtröskeln, som är ett mått på strömtätheten som behövs för att uppnå lasing. Lasingtröskeln nådde en minimum på 92 A/cm², med en genomsnittlig tröskel på 129 A/cm². Detta representerar en ordning av magnitudens förbättring över de bästa elektriskt drivna organiska laserstrålarna. Utöver den låga tröskeln, visade perovskitlasern en operativ halvtid på 1,8 timmar under pulserande excitation (64 000 spänningspulser vid 10 Hz), vilket överträffade befintliga elektriskt pumpade organiska laserstrålar. 'Som den första demonstrationen blev vi redan överraskade av enhetens halvtid på 1,8 timmar,' sa Di. 'Naturligtvis anses livslängden vara mycket kort ur ett tillämpningsperspektiv.' Forskarna identifierade de primära begränsande mekanismerna som jonmigration under elektriska fält och Joule-uppvärmning under intensiva strömmar. 'Dessa kan i framtiden lösas genom förbättrad värmeavledning av enheterna och undertryckt jonmigration i perovskitmaterialen,' noterade Zhao. Dessutom uppnådde enheten imponerande modulationsegenskaper, vilket ger den snabb laseromkopplingsförmåga för digital informationkodning under överföring. Laseren uppnådde en bandbredd på 36,2 MHz, vilket indikerar att den kan stängas av och på 36,2 miljoner gånger per sekund, med uppgångs- och nedgångstider på 5,4 respektive 5,1 nanosekunder. Detta tyder på att enheten är genomförbar för optiska datatransmissionsapplikationer. 'Perovskitlasern kan användas i olika tillämpningar som optisk datatransmission, kohärent ljuskälla i integrerade fotoniska kretsar och bärbara enheter,' sa Zou. Forskarna betonade att detta representerar början på ytterligare utveckling. 'Demonstrationen av de elektriskt drivna perovskitlasrarna är bara början. Övergången från den integrerade pumpningsarkitekturen vi för närvarande använder till en enkel laserdiodstruktur skulle vara en potentiell riktning, eftersom det skulle möjliggöra mer kompakta och skalbara optoelektroniska applikationer,' förklarade Di. Skriven för dig av vår författare Tejasri Gururaj, redigerad av Gaby Clark och faktagranskad och granskad av Robert Egan - denna artikel är resultatet av noggrant mänskligt arbete. Vi förlitar oss på läsare som dig för att hålla oberoende vetenskapsjournalistik vid liv. Om denna rapportering betyder något för dig, var vänlig överväg en donation (särskilt månadsvis). Du kommer att få ett reklamfritt konto som tack. Mer information: Chen Zou et al, Electrically driven lasing from a dual-cavity perovskite device, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09457-2. Tidskriftsinformation: Nature © 2025 Science X Network