Het aanboren van de kwantumeigenschappen van fotonen voor opto-elektronica vereist zeer efficiënte lichtbronnen. Loodtrihalogenide perovskiet nanokristallen vertonen een aantal eigenschappen waardoor ze veelbelovende kandidaten zijn als lichtbronnen. Hoewel het koppelen van kwantumstralers met nanofotonische holtes de efficiëntie aanzienlijk kan verhogen, deze benadering is niet onderzocht met deze nanokristallen.

Nutsvoorzieningen, een groep onderzoekers van de Universiteit van Maryland en ETH Zürich heeft een eenvoudige benadering aangetoond voor het koppelen van in oplossing gesynthetiseerde cesium-loodtribromide (CsPbBr3) perovskiet-nanokristallen aan fotonische holtes van siliciumnitride (SiN). De resulterende lichtemissie bij kamertemperatuur is een orde van grootte hoger dan wat perovskieten alleen kunnen uitzenden. Promovendus Zhili Yang en anderen rapporteren deze week hun resultaten in Technische Natuurkunde Brieven .

"Ons werk laat zien dat het mogelijk is om de spontane emissie van colloïdale perovskiet-nanokristallen te verbeteren met behulp van een fotonische holte, " Yang zei. "Onze resultaten bieden een pad naar compacte on-chip lichtbronnen met een lager energieverbruik en kleinere afmetingen."

Om de nanokristallen aan de fotonische holte te koppelen, de groep liet perovskiet-nanokristallen in tolueenoplossing op de SiN-holte vallen. Vervolgens bekrachtigden ze het apparaat met een gepulseerde laser, wat leidt tot fotonenemissie van de nanokristallen.

Het gebruik van oplossingen om colloïdale kwantumstralers te maken staat in contrast met de fabricage van epitaxiale materialen, een veelgebruikt proces waarbij kristallijne bovenlagen op een bestaand substraat worden gekweekt. In plaats daarvan, Yang zei, men kan met behulp van oplosmiddelen gemakkelijker colloïdale nanokristallen direct op verschillende soorten wafels deponeren.

Soortgelijke perovskietmaterialen zijn al veelbelovend in fotovoltaïsche omgevingen, en ze vertonen ook een aantal eigenschappen waardoor ze veelbelovende kandidaten zijn voor lichtgevende apparaten.

"De nanokristallen hebben een lage dichtheid van defecten die dragers [elektronen en gaten] kunnen vangen, het produceren van een zeer lage niet-stralingsvervalsnelheid en een hoge fotoluminescentie-efficiëntie bij kamertemperatuur, ' zei Yang.

Pogingen om licht uit te zenden met epitaxiale materialen zijn over het algemeen niet voldoende gebleken om het zichtbare lichtspectrum efficiënt te dekken, waarbij het golflengtebereik in het blauwgroen bijzonder problematisch is. Het apparaat dat het team demonstreerde, vertoonde emissie gecentreerd op 510 nanometer in het groen.

"De grote uitdaging bij deze methode, echter, is dat je een zeer geoptimaliseerde concentratie [dichtheid] van de kristallen op het oppervlak van de holte moet vinden, " zei Yang. "Het kan niet te gecondenseerd zijn, anders is het schadelijk voor de holte en kan het leiden tot non-conformiteit."

De gekoppelde nanokristallen en nanocavity hadden een tienvoudige verbetering in emissiehelderheid in vergelijking met de emitters alleen. Het resulteerde in een spontane verhoging van de emissiesnelheid van 2,9, als gevolg van een bijna drievoudige toename van de efficiëntie van het uitzenden van fotonen in de holte in vergelijking met perovskieten op niet-patroonoppervlakken.

De resultaten zijn een zegen voor de opto-elektronica, Yang zei, een veld dat gebruikmaakt van de kwantumeffecten van fotonen op elektronische materialen om optische circuits te helpen bouwen die niet zullen lijden onder enkele van de inefficiënties van puur elektronische apparaten, zoals verwarming. Opto-elektronische apparaten genieten ook van hogere verwerkingssnelheden en bredere signaalbandbreedtes, en kan ooit worden gebruikt in kwantumcomputing en kwantumcommunicatienetwerken.