Đại học Bắc Kinh đã chế tạo thành công perovskite liên tụcnguồn lasernhỏ hơn 1 micromet vuông
Việc chế tạo nguồn laser liên tục với diện tích thiết bị nhỏ hơn 1μm2 là rất quan trọng để đáp ứng yêu cầu tiêu thụ năng lượng thấp của kết nối quang học trên chip (<10 fJ bit-1). Tuy nhiên, khi kích thước thiết bị giảm, tổn thất quang học và vật liệu tăng lên đáng kể, do đó việc đạt được kích thước thiết bị dưới micromet và bơm quang liên tục cho nguồn laser là vô cùng khó khăn. Trong những năm gần đây, vật liệu perovskite halide đã nhận được sự quan tâm rộng rãi trong lĩnh vực laser bơm quang liên tục nhờ độ khuếch đại quang học cao và các đặc tính exciton polariton độc đáo của chúng. Diện tích thiết bị của các nguồn laser liên tục perovskite được báo cáo cho đến nay vẫn lớn hơn 10μm2, và tất cả các nguồn laser dưới micromet đều yêu cầu ánh sáng xung với mật độ năng lượng bơm cao hơn để kích thích.
Để giải quyết thách thức này, nhóm nghiên cứu của Zhang Qing từ Trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu thuộc Đại học Bắc Kinh đã thành công trong việc chế tạo vật liệu tinh thể đơn perovskite chất lượng cao kích thước dưới micromet để đạt được nguồn laser bơm quang liên tục với diện tích thiết bị nhỏ tới 0,65 μm². Đồng thời, cơ chế của photon polariton trong quá trình phát laser bơm quang liên tục dưới micromet cũng được làm sáng tỏ, từ đó cung cấp một ý tưởng mới cho sự phát triển của laser bán dẫn kích thước nhỏ, ngưỡng thấp. Kết quả nghiên cứu, có tiêu đề “Laser Perovskite bơm sóng liên tục với diện tích thiết bị dưới 1 μm²”, gần đây đã được công bố trên tạp chí Advanced Materials.
Trong nghiên cứu này, tấm vi tinh thể perovskite vô cơ CsPbBr3 được chế tạo trên chất nền sapphire bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học. Quan sát cho thấy sự ghép nối mạnh mẽ giữa các exciton perovskite với các photon vi khoang tường âm ở nhiệt độ phòng dẫn đến sự hình thành polariton exciton. Thông qua một loạt bằng chứng, chẳng hạn như cường độ phát xạ từ tuyến tính sang phi tuyến tính, độ rộng vạch hẹp, biến đổi phân cực phát xạ và biến đổi độ kết dính không gian ở ngưỡng, laser huỳnh quang bơm quang liên tục của tinh thể đơn CsPbBr3 kích thước dưới micromet được xác nhận, và diện tích thiết bị chỉ nhỏ đến 0,65 μm². Đồng thời, người ta nhận thấy rằng ngưỡng của nguồn laser dưới micromet tương đương với ngưỡng của nguồn laser kích thước lớn, và thậm chí có thể thấp hơn (Hình 1).
Hình 1. Cấu trúc nano CsPbBr3 kích thước dưới micromet được kích thích quang học liên tục.nguồn sáng laser
Hơn nữa, công trình này nghiên cứu cả về mặt thực nghiệm và lý thuyết, đồng thời làm sáng tỏ cơ chế của các exciton phân cực trong việc hiện thực hóa các nguồn laser liên tục kích thước dưới micromet. Sự tăng cường ghép nối photon-exciton trong perovskite kích thước dưới micromet dẫn đến sự gia tăng đáng kể chỉ số khúc xạ nhóm lên khoảng 80, điều này làm tăng đáng kể độ lợi mode để bù lại sự suy hao mode. Điều này cũng dẫn đến nguồn laser perovskite kích thước dưới micromet với hệ số chất lượng vi khoang hiệu dụng cao hơn và độ rộng vạch phát xạ hẹp hơn (Hình 2). Cơ chế này cũng cung cấp những hiểu biết mới về sự phát triển của các laser kích thước nhỏ, ngưỡng thấp dựa trên các vật liệu bán dẫn khác.
Hình 2. Cơ chế tạo nguồn laser dưới micromet sử dụng polarizon kích thích
Song Jiepeng, sinh viên chương trình Zhibo năm 2020 thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Đại học Bắc Kinh, là tác giả chính của bài báo, và Đại học Bắc Kinh là đơn vị chủ trì đầu tiên. Zhang Qing và Xiong Qihua, giáo sư Vật lý tại Đại học Thanh Hoa, là các tác giả liên hệ. Công trình này được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc và Quỹ Khoa học Bắc Kinh dành cho những người trẻ xuất sắc.
Thời gian đăng bài: 12/09/2023