Первый перовскитный лазерный диод на постоянном токе: прорыв в оптоэлектронике

Ученые впервые создали лазерный диод на основе перовскита, работающий от постоянного тока при комнатной температуре. Это достижение, опубликованное в журнале Nature, открывает путь к дешевым и эффективным лазерам для дисплеев, оптической связи и сенсоров. В отличие от предыдущих разработок, новое ус

Перовскитный лазерный диод под постоянным током

Группа исследователей из Китая и Великобритании продемонстрировала поляритонный лазерный диод на основе перовскита CsPbBr₃, который излучает когерентный зеленый свет при подаче постоянного тока. Это первый случай, когда поляритонный лазер на перовските работает в непрерывном режиме без импульсной накачки. Устройство использует тонкую пленку перовскита, помещенную между двумя зеркалами — распределенными брэгговскими отражателями. При подаче тока формируются экситон-поляритоны, которые конденсируются в когерентное состояние, генерируя лазерное излучение. Пороговый ток составил около 10 А/см², что сравнимо с коммерческими лазерными диодами.

Почему это важно для лазерной техники?

Поляритонные лазеры долгое время считались перспективной альтернативой обычным полупроводниковым лазерам из-за низкого порога генерации и возможности работы при комнатной температуре. Однако все предыдущие реализации требовали либо оптической накачки, либо эпитаксиальных методов роста, что усложняло производство. Перовскиты привлекли внимание благодаря простому синтезу и отличным оптическим свойствам, но создание электрически накачиваемого поляритонного лазера оставалось вызовом. В 2023 году появились сообщения о поляритонных лазерах на перовскитах с оптической накачкой, но электрическая накачка долго не удавалась из-за проблем с инжекцией носителей и тепловыми эффектами. Новая работа преодолевает эти ограничения за счет оптимизации структуры устройства и использования подложки с высоким сопротивлением для снижения паразитных токов.

Как работает поляритонный лазер?

Поляритонные лазеры основаны на бозе-эйнштейновской конденсации экситон-поляритонов — квазичастиц, возникающих при сильной связи света с возбуждениями в полупроводнике. В отличие от обычных лазеров, где требуется инверсия населенностей, поляритонные лазеры могут работать при гораздо меньших токах. Конденсация поляритонов происходит при комнатной температуре в специально спроектированных микрорезонаторах. В данном устройстве поляритоны образуются в тонкой пленке перовскита, а когерентное излучение выводится через верхнее зеркало.

Технические подробности устройства

Лазерная структура состоит из нижнего распределенного брэгговского отражателя из диоксида кремния и диоксида титана, слоя перовскита CsPbBr₃ толщиной около 100 нм и верхнего отражателя из серебра. Для электрических контактов использованы ITO и золото. Устройство работает при комнатной температуре, излучая на длине волны около 530 нм (зеленый свет). Измеренная ширина линии излучения составила менее 0,5 нм, что свидетельствует о высокой когерентности. Ключевым новшеством стало использование неэпитаксиального подхода: перовскит наносится методом центрифугирования, что значительно удешевляет производство по сравнению с эпитаксиальными методами. Ученые также применили буферный слой для улучшения инжекции носителей и снижения нагрева. Пороговая плотность тока около 10 А/см² — рекордно низкая для поляритонных лазеров с электрической накачкой.

Какие перспективы у перовскитных лазеров?

Разработка может повлиять на индустрию оптоэлектроники, особенно в сегменте лазеров для дисплеев, оптической связи и сенсоров. Перовскитные лазеры потенциально дешевле и проще в производстве, чем традиционные полупроводниковые на основе GaAs или GaN. Для производителей лазеров это означает возможность снижения себестоимости и расширения применения в потребительской электронике. Однако до коммерциализации предстоит решить вопросы долговременной стабильности перовскитов и масштабирования технологии. В научном сообществе работа вызовет интерес к поляритонной физике и может стимулировать исследования в области квантовых симуляторов и сверхбыстрых переключателей. Российские исследователи, работающие с перовскитами, также могут адаптировать результаты для своих проектов.

Что будет дальше

Следующим шагом станет повышение срока службы устройства и демонстрация работы в непрерывном режиме в течение тысяч часов. Также вероятны попытки создания многоцветных лазеров на одном чипе и интеграции с кремниевой фотоникой. Ожидается, что в ближайшие 2-3 года появятся прототипы с улучшенными характеристиками.

Итог

Создание неэпитаксиального перовскитного поляритонного лазерного диода, работающего от постоянного тока, — важный шаг к практическим поляритонным устройствам. Технология обещает дешевые и эффективные лазеры для широкого спектра применений, от биомедицины до квантовых вычислений. Следите за развитием этой области: возможно, мы стоим на пороге новой эры лазерной техники.