Sinds hun uitvinding in 1962, halfgeleiderdiodelasers hebben een revolutie teweeggebracht in de communicatie en hebben het opslaan en ophalen van informatie op cd's mogelijk gemaakt, dvd's en Blu-ray-apparaten. Deze diodelasers gebruiken anorganische halfgeleiders die zijn gekweekt in ingewikkelde hoogvacuümsystemen. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van Penn State en Princeton University heeft een grote stap gezet in de richting van het creëren van een diodelaser van een hybride organisch-anorganisch materiaal dat vanuit een oplossing op een laboratoriumtafel kan worden gedeponeerd.

"Het is meestal geen grote stap om van een lichtgevende diode een laser te maken, " zei Chris Giebink, universitair docent elektrotechniek, Penn State. "Je voegt in wezen gewoon spiegels toe en rijdt harder. Toen organische lichtgevende dioden 30 jaar geleden werden uitgevonden, iedereen dacht dat zodra we relatief efficiënte OLED's hadden, dat er spoedig een organische laserdiode zou volgen."

Zoals later bleek, organische diodelasers bleken erg moeilijk te maken.

Een organische laserdiode zou voordelen kunnen hebben. Eerst, omdat organische halfgeleiders relatief zacht en flexibel zijn, organische lasers kunnen worden opgenomen in nieuwe vormfactoren die niet mogelijk zijn voor hun anorganische tegenhangers. Hoewel anorganische halfgeleiderlasers relatief beperkt zijn in de golflengten, of kleuren, van licht dat ze uitstralen, een organische laser kan elke golflengte produceren die een chemicus in het laboratorium wil synthetiseren door de structuur van de organische moleculen aan te passen. Deze afstembaarheid kan zeer nuttig zijn in toepassingen variërend van medische diagnostiek tot omgevingsdetectie.

Het is nog niemand gelukt om een ​​organische laserdiode te maken, maar de sleutel kan heel goed betrekking hebben op verwante materialen - organische/anorganische perovskieten - die de afgelopen jaren veel aandacht hebben gekregen in de onderzoeksgemeenschap. Dit hybride materiaal was al verantwoordelijk voor een snelle stijging van de efficiëntie van fotovoltaïsche energie, zei Giebink.

Perovskieten zijn vrij veel voorkomende mineralen die een vergelijkbare kubische kristalstructuur delen. Enigszins paradoxaal, een van de redenen waarom deze hybride perovskietmaterialen zo goed werken in zonnecellen, is dat ze goede lichtstralers zijn. Om die reden, ze zijn ook interessant voor gebruik in LED's en lasers. Het materiaal dat Giebink en zijn collega's bestuderen, is samengesteld uit een anorganisch perovskiet-subrooster met relatief grote organische moleculen in het midden.

"Het uiteindelijke doel is om een ​​elektrisch aangedreven perovskietlaserdiode te maken, " zei Giebink. "Dat zou een game changer zijn. Het is vrij eenvoudig om het perovskiet-materiaal te laten laseren door optisch te pompen, dat is, door er nog een laser op te laten schijnen. Echter, dit heeft alleen gewerkt voor zeer korte pulsen vanwege een slecht begrepen fenomeen dat we de dood door laserstralen noemen. Het continu aan de gang krijgen is een belangrijke stap in de richting van een uiteindelijk elektrisch aangedreven apparaat. Wat we in dit recente onderzoek vonden, is een merkwaardige gril. We kunnen de dood volledig vermijden door de temperatuur van het materiaal een beetje te verlagen om een ​​gedeeltelijke faseovergang te veroorzaken."

In een paper dat vandaag (20 november) online is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfotonica , Giebink en collega's rapporteren de eerste "Continuous-wave lasering in een organisch-anorganische loodhalogenide perovskiet halfgeleider."

"Toen we de temperatuur verlaagden tot onder de faseovergang, we waren verrast toen we ontdekten dat het materiaal aanvankelijk licht uitstraalde van de lage temperatuurfase, maar veranderde toen binnen 100 nanoseconden en begon te laseren vanaf de hoge temperatuurfase - meer dan een uur lang, " zei Yufei Jia, een afgestudeerde student in het lab van Giebink en hoofdauteur. "Het bleek dat naarmate het materiaal opwarmde, hoewel het meeste materiaal in de lage temperatuurfase bleef, kleine holtes van de gevormde fase op hoge temperatuur, en dat was waar de lasering vandaan kwam."

In sommige anorganische lasers zijn er smalle gebieden die kwantumputten worden genoemd, waar ladingsdragers kunnen worden opgesloten als de elektronen en gaten in de putjes vallen. De intensiteit van de laserwerking hangt af van het aantal ladingsdragers dat in de kwantumputten kan worden gepakt. In het perovskietmateriaal, de opstelling van de insluitsels van de hoge-temperatuurfase in de bulk bij lage temperatuur lijkt deze kwantumbronnen na te bootsen en kan een rol spelen bij het mogelijk maken van continue lasering.

"De jury is het nog steeds niet eens over deze uitleg, "Zei Giebink. "Misschien is het iets subtielers."

Hoe dan ook, deze resultaten wijzen in de richting van een mogelijkheid om een ​​materiaal te construeren dat de ingebouwde kwaliteiten van deze gemengde fase-opstelling heeft, maar zonder dat het materiaal daadwerkelijk tot lage temperatuur moet worden gekoeld. Het huidige artikel wijst op een aantal ideeën over hoe die materialen kunnen worden ontworpen. De volgende grote stap is dan om over te schakelen van optisch pompen met een externe laser naar een perovskietlaserdiode die direct van stroom kan worden voorzien.

"Als we het probleem van elektrisch pompen kunnen oplossen, perovskietlasers kunnen een technologie worden met echte commerciële waarde, ' zei Giebink.