De nanodraden, met diameters van slechts 200 nanometer (miljardste van een meter) en een mix van materialen die ook effectief is gebleken in de volgende generatie zonnecelontwerpen, bleken zeer heldere, stabiel laserlicht. Onderzoekers zeggen dat de uitstekende prestaties van deze kleine lasers veelbelovend zijn voor de opto-elektronica, die gericht is op het combineren van elektronica en licht om gegevens te verzenden, onder andere toepassingen.

Licht kan veel meer gegevens dragen, veel sneller dan standaard elektronica - een enkele vezel in een glasvezelkabel, met een diameter van minder dan een haar, kan tienduizenden telefoongesprekken tegelijk voeren, bijvoorbeeld. En het miniaturiseren van lasers tot op nanoschaal zou de computer verder kunnen revolutioneren door lichtsnelheid gegevensoverdracht naar desktop- en uiteindelijk draagbare computerapparatuur te brengen.

"Wat verbazingwekkend is, is de eenvoud van de chemie hier, " zei Peidong Yang, een chemicus in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab die het onderzoek leidde, gepubliceerd op 9 februari in Proceedings van de National Academy of Sciences . Meer standaardtechnieken die nanodraden produceren, kunnen dure apparatuur en exotische omstandigheden vereisen, zoals hoge temperaturen, en kan last hebben van andere tekortkomingen.

Het onderzoeksteam ontwikkelde een eenvoudig chemisch dompelproces om een ​​zelf-geassembleerde mix van nanoschaalkristallen te produceren, platen en draden samengesteld uit cesium, lood en broom (met de chemische formule:CsPbBr3). Hetzelfde chemische mengsel, met een moleculaire architectuur bestaande uit kubusachtige kristalstructuren, is ook effectief gebleken in een opkomende golf van nieuwe ontwerpen voor hoogrenderende zonnecellen.

"Het meeste eerdere werk met dit soort materialen is gericht op deze toepassingen van zonne-energie, " zei Yang, die ook afspraken heeft met UC Berkeley en het Kavli Energy NanoScience Institute in Berkeley Lab en UC Berkeley. "Er is de afgelopen jaren zoveel vooruitgang geboekt met deze materialen - ik heb het gevoel dat deze materialen ook een nieuwe onderzoeksgrens voor opto-elektronica zullen openen, " hij zei, en op het bredere gebied van fotonica, die is gericht op het gebruik van licht voor een scala aan toepassingen.

"Het hele doel van het ontwikkelen van lasers van nanoformaat is om fotonische (op licht gebaseerde) apparaten naadloos met elektronische apparaten te verbinden, "Yang zei, "op schalen die relevant zijn voor de hedendaagse computerchips. Vandaag de dag, deze fotonische apparaten kunnen omvangrijk zijn."

Yang's onderzoeksteam pionierde bijna 15 jaar geleden met de ontwikkeling van nanodraadlasers met behulp van een andere mix van materialen, waaronder zinkoxide (ZnO) en galliumnitride (GaN). Maar deze en andere meer conventionele combinaties van materialen die worden gebruikt om nanolasers te maken, hebben tekortkomingen die een beperkte afstembaarheid kunnen omvatten, lage helderheid of dure fabricageprocessen.

In dit laatste werk het onderzoeksteam ontdekte hoe nanodraden te produceren door een dunne loodhoudende film in een methanoloplossing met cesium te dompelen, broom en chloor verwarmd tot ongeveer 122 graden Fahrenheit. Er vormde zich een mix van kristallijne structuren van cesiumloodbromide, inclusief nanodraden met een diameter van 200 tot 2, 300 nanometer (0,2 tot 2,3 micron) en een lengte variërend van 2 tot 40 micron.

Bepaalde nanodraden die in het experiment werden gebruikt, werden op een kwartsbasis geplaatst en geëxciteerd door een andere laserbron die ervoor zorgde dat ze licht uitstraalden. Onderzoekers ontdekten dat de nanodraadlasers licht uitzonden gedurende meer dan 1 miljard cycli nadat ze werden geraakt door een ultrasnelle puls van zichtbare, violet licht dat slechts honderdsten van quadriljoensten van seconden duurde, waarvan Yang zei dat het een opmerkelijke stabiliteit vertoonde.

Yang zei dat voor zover hij weet, deze nanodraden misschien de eerste zijn die laserlicht uitstralen met behulp van een volledig anorganische (geen koolstof bevattende) mix van materialen. Onderzoekers toonden aan dat de nanodraadlasers kunnen worden afgestemd op een reeks licht, waaronder zichtbare groene en blauwe golflengten.

De nanodraden hebben een kristalstructuur die lijkt op die van een natuurlijk voorkomend mineraal dat bekend staat als perovskiet. Onderzoekers bestudeerden hun structuur met een techniek die bekend staat als transmissie-elektronenmicroscopie in het National Center for Electron Microscopy, onderdeel van Berkeley Lab's Molecular Foundry. De Molecular Foundry is een DOE Office of Science User Facility.

De kristallijne structuur van de nanodraden lijkt veel op zout, waardoor ze gevoelig zijn voor schade door vocht in de lucht, zei Yang.

"Dat is een zwak punt - iets dat we moeten bestuderen en begrijpen hoe we het kunnen verbeteren, " zei hij. Het is misschien mogelijk om de nanodraden te coaten met polymeren of ander materiaal om ze beter bestand te maken tegen beschadigingen, hij zei. Er zijn ook mogelijkheden om andere materialen te testen en te ontdekken of ze de prestaties verbeteren, hij zei, zoals het vervangen van lood door tin.

Ted Sargent, een nanotechnologie-onderzoeker en professor aan de Universiteit van Toronto die bekend is met de studie, zei, "De resultaten wijzen op een significante belofte voor perovskiet-nanomaterialen bij laseren." Ook, hij zei, de stabiliteit van de nanolasers, die meer dan een uur in de lucht bleken te werken, was "indrukwekkend".

Yang zei, "Dit veld evolueert snel. We zijn pas 12 maanden geleden in dit veld gesprongen, en deze lasers zijn al geweldig, heldere zenders. Het is gewoon zo spannend."