Die Universität Peking realisierte eine Perowskit-Dauerlaserquelle mit einer Größe von weniger als 1 Quadratmikrometer.

Die Universität Peking realisierte eine kontinuierliche Perowskit-HerstellungLaserquellekleiner als 1 Quadratmikrometer
Für die Realisierung der Anforderungen an einen geringen Energieverbrauch optischer On-Chip-Verbindungen (<10 fJ Bit⁻¹) ist die Konstruktion einer kontinuierlichen Laserquelle mit einer Gerätefläche von unter 1 µm² von großer Bedeutung. Mit abnehmender Gerätegröße steigen jedoch die optischen und Materialverluste signifikant an, weshalb die Realisierung von Submikrometer-Bauelementen und die kontinuierliche optische Anregung von Laserquellen eine enorme Herausforderung darstellen. In den letzten Jahren haben Halogenid-Perowskit-Materialien aufgrund ihrer hohen optischen Verstärkung und ihrer einzigartigen Exziton-Polariton-Eigenschaften im Bereich der kontinuierlich optisch angeregten Laser große Aufmerksamkeit erlangt. Die bisher berichtete Gerätefläche von Perowskit-Laserquellen für den Dauerstrichbetrieb liegt jedoch noch über 10 µm², und Submikrometer-Laserquellen benötigen zur Anregung gepulstes Licht mit höherer Pumpenergiedichte.

Als Antwort auf diese Herausforderung gelang es der Forschungsgruppe um Zhang Qing von der Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der Universität Peking, hochwertige Perowskit-Submikron-Einkristallmaterialien herzustellen, um kontinuierlich optisch gepumpte Laserquellen mit einer Gerätefläche von nur 0,65 μm² zu realisieren. Gleichzeitig wurde das Photon sichtbar gemacht. Der Mechanismus der Exziton-Polariton-Bildung im kontinuierlich optisch gepumpten Submikron-Laserprozess wurde eingehend untersucht und liefert damit neue Ansätze für die Entwicklung kleiner Halbleiterlaser mit niedriger Schwellenleistung. Die Ergebnisse der Studie mit dem Titel „Kontinuierlich gepumpte Perowskit-Laser mit einer Gerätefläche unter 1 μm²“ wurden kürzlich in Advanced Materials veröffentlicht.

In dieser Arbeit wurde ein anorganisches Perowskit-CsPbBr₃-Einkristallplättchen im Mikrometerbereich mittels chemischer Gasphasenabscheidung auf einem Saphirsubstrat hergestellt. Es wurde beobachtet, dass die starke Kopplung von Perowskit-Exzitonen mit den Photonen eines Schallwand-Mikroresonators bei Raumtemperatur zur Bildung von Exzitonpolaritonen führt. Durch verschiedene Nachweise, wie den Übergang von linearer zu nichtlinearer Emissionsintensität, die geringe Linienbreite, die Transformation der Emissionspolarisation und die Transformation der räumlichen Kohärenz an der Emissionsschwelle, konnte die kontinuierliche, optisch gepumpte Fluoreszenz des submikrometergroßen CsPbBr₃-Einkristalls bestätigt werden. Die Fläche des Bauelements beträgt lediglich 0,65 μm². Gleichzeitig wurde festgestellt, dass die Emissionsschwelle der Submikrometer-Laserquelle mit der einer großflächigen Laserquelle vergleichbar ist und sogar niedriger liegen kann (Abbildung 1).

Abbildung 1. Kontinuierlich optisch gepumptes Submikron-CsPbBr3Laserlichtquelle

Diese Arbeit untersucht experimentell und theoretisch den Mechanismus exzitonpolarisierter Exzitonen bei der Realisierung von kontinuierlichen Submikron-Laserquellen. Die verstärkte Photon-Exziton-Kopplung in Submikron-Perowskiten führt zu einem signifikanten Anstieg des Gruppenbrechungsindex auf etwa 80, wodurch die Modenverstärkung deutlich erhöht und die Modenverluste kompensiert werden. Dies resultiert in einer Perowskit-Submikron-Laserquelle mit einem höheren effektiven Mikroresonator-Gütefaktor und einer schmaleren Emissionslinienbreite (Abbildung 2). Der Mechanismus liefert zudem neue Erkenntnisse für die Entwicklung kleiner Laser mit niedriger Schwellenleistung auf Basis anderer Halbleitermaterialien.

Abbildung 2. Mechanismus einer Submikron-Laserquelle unter Verwendung von Exzitonpolarizonen

Song Jiepeng, eine Zhibo-Studentin des Jahrgangs 2020 der Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der Universität Peking, ist Erstautorin der Publikation. Die Universität Peking ist die erste beteiligte Institution. Zhang Qing und Xiong Qihua, Professor für Physik an der Tsinghua-Universität, sind die korrespondierenden Autoren. Die Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China und der Beijing Science Foundation for Outstanding Young People gefördert.