Οι ερευνητές στο Zhejiang University κατόρθωσαν να ξεπεράσουν έναν από τους πιο σοβαρούς περιορισμούς που κρατούσε πίσω την τεχνολογία των lasers περοβσκίτη. Με μια απλή αλλά ευρηματική προσθήκη κατά την επεξεργασία του υλικού, κατάφεραν να καταστείλουν το φαινόμενο του ανασυνδυασμού Auger, το οποίο μέχρι σήμερα οδηγούσε σε γρήγορη απώλεια ενέργειας και μείωνε δραματικά την απόδοση των μικροσκοπικών laser. Το αποτέλεσμα; Ένα ρεκόρ αποδοτικότητας που ανοίγει τον δρόμο για εφαρμογές σε προηγμένα οπτικά κυκλώματα και συσκευές.
Η ανάπτυξη μικρών, αποδοτικών laser που μπορούν να ενσωματωθούν απευθείας σε κυκλώματα πυριτίου θεωρείται το «ιερό δισκοπότηρο» για τις τεχνολογίες επικοινωνιών και υπολογιστών. Τα σημερινά εμπορικά laser βασίζονται κυρίως σε ημιαγωγούς τύπου III-V, που αναπτύσσονται σε εξειδικευμένα υποστρώματα. Η διαδικασία αυτή είναι περίπλοκη και δαπανηρή, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη συνύπαρξή τους με την κυρίαρχη τεχνολογία του πυριτίου.
Τα υμένια περοβσκίτη αναδείχθηκαν τα τελευταία χρόνια ως μια υποσχόμενη εναλλακτική. Μπορούν να παραχθούν με χαμηλό κόστος, συνδυάζονται εύκολα με διαφορετικά υποστρώματα και παρουσιάζουν εξαιρετικές οπτικές ιδιότητες. Ωστόσο, μια βασική πρόκληση παρέμενε: σε θερμοκρασία δωματίου, τα lasers περοβσκίτη δυσκολεύονταν να λειτουργήσουν σε συνεχή ή σχεδόν συνεχή λειτουργία, καθώς τα φορτία χάνονταν γρήγορα εξαιτίας του μηχανισμού που είναι γνωστός ως ανασυνδυασμός Auger.
Η ερευνητική ομάδα του Zhejiang University βρήκε μια κομψή λύση σε αυτό το εμπόδιο. Όπως περιγράφεται στη δημοσίευσή τους στο περιοδικό Advanced Photonics, κατά τη διαδικασία ανόπτησης των πολυκρυσταλλικών υμενίων περοβσκίτη πρόσθεσαν ένα πτητικό αμμωνιακό συστατικό. Αυτή η παρέμβαση οδήγησε σε μια «αναδόμηση φάσης» που απομάκρυνε ανεπιθύμητες χαμηλοδιάστατες φάσεις του υλικού. Το αποτέλεσμα ήταν η δημιουργία μιας καθαρής τρισδιάστατης δομής, η οποία μείωσε σημαντικά τα κανάλια μέσω των οποίων επιταχύνεται ο ανασυνδυασμός Auger. Έτσι, τα φορτία διατηρήθηκαν για περισσότερο χρόνο, προσφέροντας σταθερή ενέργεια για την εκπομπή laser.
Για να γίνει κατανοητή η πρόοδος, πρέπει να δούμε τι συμβαίνει στο εσωτερικό του υλικού. Σε ιδανικές συνθήκες, όταν ηλεκτρόνια και «οπές» συνδυάζονται, η ενέργεια που απελευθερώνεται εκπέμπεται με τη μορφή φωτός, η βάση δηλαδή της λειτουργίας των laser. Ωστόσο, στον ανασυνδυασμό Auger η ενέργεια αυτή δεν μετατρέπεται σε φως, αλλά μεταφέρεται σε ένα τρίτο φορτίο, το οποίο στη συνέχεια χάνεται γρήγορα. Το φαινόμενο γίνεται ιδιαίτερα προβληματικό όταν το laser τροφοδοτείται με συνεχείς ή μεγάλης διάρκειας παλμούς, γιατί τότε η συσσώρευση φορτίων είναι αναγκαία για την επίτευξη «πληθυσμιακής αναστροφής», της προϋπόθεσης για σταθερή εκπομπή.
Καταστέλλοντας αυτόν τον μηχανισμό, οι ερευνητές μπόρεσαν να διατηρήσουν τις πυκνότητες φορτίων που απαιτούνται για αποδοτική διέγερση και σταθερή εκπομπή laser.
Με τα βελτιστοποιημένα υμένια τους, η ομάδα κατασκεύασε ένα μονοτροπικό laser κάθετης κοιλότητας και επιφανειακής εκπομπής (VCSEL). Το συγκεκριμένο laser πέτυχε εξαιρετικά χαμηλό κατώφλι εκπομπής, μόλις 17.3 μJ/cm², και έναν εντυπωσιακό συντελεστή ποιότητας 3850 υπό συνθήκες ημισυνεχούς εκπομπής. Τα στοιχεία αυτά συνιστούν την καλύτερη απόδοση που έχει αναφερθεί μέχρι σήμερα για laser περοβσκίτη σε αυτό το καθεστώς λειτουργίας.
Η επίτευξη αυτή δείχνει ότι τα laser περοβσκίτη δεν είναι πλέον απλώς μια θεωρητική υπόσχεση, αλλά μια τεχνολογία με πραγματικές δυνατότητες για εφαρμογές σε προηγμένα ηλεκτρονικά και οπτικά συστήματα.
[via]
