Zhejiang Üniversitesi’nden bilim insanları, çift boşluklu tasarımla elektrikle çalışan perovskit lazeri göstererek, perovskit optoelektronik alanındaki en büyük zorluklardan birini pratikte aştı. Ekip, cihazın son teknoloji elektrikli organik lazerlere kıyasla daha düşük lazer eşiği sunduğunu, hızlı modülasyon yetenekleriyle operasyonel kararlılığının öne çıktığını ve optik kuplaj verimliliğinin belirleyici rol oynadığını bildirdi.
ON YILLIK SORU KAPANDI
Araştırma görevlisi Chen Zou, elektrikle çalışan perovskit lazerlerin hayata geçirilmesinin perovskit optoelektroniğin en büyük sorunu olarak görüldüğünü; grubun perovskit LED ve perovskit lazer alanında süregelen çalışmalarıyla bu engeli aşmanın heyecan verici olduğunu aktardı. Perovskit yarı iletkenler, yüksek kazanç katsayısı, uzun taşıyıcı ömrü ve ayarlanabilir emisyon dalga boyları sayesinde lazer için ideal malzeme olarak öne çıkıyordu; ancak performans bugüne dek optik pompaya (harici lazerle uyarım) bağlı kalmış, elektriksel pompa ile lazerleme başarılamamıştı.
MALZEME–CİHAZ İKİLEMİ
Doç. Baodan Zhao, çözeltiyle işlenen perovskitlerin düşük maliyet, kolay entegrasyon, spektral ayarlanabilirlik ve düşük optik eşik gibi avantajları olduğunu, ancak harici ışık kaynağı gereksiniminin kullanışlılığı sınırladığını belirtti. Kritik darboğazlar iki düzeyde toplandı:
• Malzeme düzeyi: Mikro yapılara gömülü, yüksek kaliteli perovskit tek kristallerinin üretimi; yüksek akımlarda bozunma ve verim kaybının önlenmesi.
• Cihaz düzeyi: Mikro boşluk perovskit LED bileşenlerinin radyant çıkışını artırmak ve boşluklar arası optik kuplaj verimliliğini en üst düzeye çıkarmak.
ÇİFT BOŞLUK YAKLAŞIMI
Profesör Dawei Di, ekibin elektrik–optik dönüşüm ile optik amplifikasyonu iki özel bileşen arasında bölüştüren entegre bir çift boşluklu mimari geliştirdiğini ifade etti. Elektriksel darbeler altında, ilk mikro boşluktaki perovskit LED’in yoğun ve yönlü emisyonu, ikinci mikro boşluktaki perovskit tek kristal tarafından soğuruluyor, böylece ışık kazancı ve lazerleme tetikleniyor. Tasarımda, ilk mikro boşluk yüksek güçlü perovskit LED alt ünitesi, ikinci mikro boşluk ise düşük eşikli tek kristal mikro boşluk olarak yapılandırıldı. Zou, Mikro boşluk I’in yoğun yönlü foton akısını ürettiğini, Mikro boşluk II’nin amplifikasyon ve lazerlemeyi gerçekleştirdiğini vurguladı.
KRİSTAL KALİTESİ KRİTİK
Lazer bileşeninde, uzayda sınırlı ters sıcaklık kristalizasyonu yöntemiyle yüksek kaliteli FAPbI₃ (formamidinyum kurşun iyodür) tek kristaller üretildi. Yaklaşık iki gün süren kontrollü sıcaklık döngüsünde, kristaller iki yüzey arasında kontrollü bir alanda büyütüldü. Sonuçta yaklaşık 0,7 nm yüzey pürüzlülüğü ve yaklaşık180 nm optimize kalınlık sağlandı.
Elektriksel pompa tarafında, çözelti işlemeyle yüksek güçlü LED’e dönüştürülen Cs₀.₅FA₀.₅PbI₂Br tercih edildi. Her iki bileşen, boşluklar arasındaki ışık bağlantısını maksimize etmek için dağıtılmış Bragg reflektörleri (DBR) arasına alındı.
KUPLAJDA REKOR VERİM
Zhao, Mikro boşluk I’in emisyon sapmasının azaltılması ve iki boşluk arasındaki mesafenin küçültülmesiyle optik bağlantı verimliliğinin yüzde 82,7’ye ulaştığını bildirdi. Karşılaştırmalar, çift boşluklu tasarımın, tek boşluklu mimariye oranla lazer eşiğini 4,7 kat düşürdüğünü gösterdi.
DÜŞÜK EŞİK, HIZLI MODÜLASYON
Cihaz, lazer ışını eşiğini minimum 92 A/cm², ortalama 129 A/cm² düzeyine çekerek elektrikle çalışan organik lazerlere göre önemli iyileşme ortaya koydu. Darbeli uyarım altında (10 Hz’de 64.000 voltaj darbesi) 1,8 saatlik çalışma yarı ömrü kaydedildi ve bu değer mevcut organik muadillerin üzerine çıktı. Di, ilk denemede elde edilen 1,8 saat yarı ömrün uygulama açısından kısa sayılsa da beklentiyi aştığını belirtti. Sınırlayıcı mekanizmalar olarak elektrik alanlarında iyon göçü ve yüksek akım yoğunluklarında Joule ısınması tespit edildi; Zhao, ısı dağılımının iyileştirilmesi ve iyon göçünün baskılanmasıyla ömür artışının mümkün olduğunu değerlendirdi.
OPTİK VERİYE HAZIR
Cihaz, 36,2 MHz modülasyon bant genişliği ile saniyede 36,2 milyon kez açma–kapama yapabildi; yükselme/düşme süreleri sırasıyla 5,4 ns ve 5,1 ns ölçüldü. Bu performans, dijital bilgi kodlama, optik veri iletimi ve entegre fotonik uygulamalarına uygunluk işareti verirken, giyilebilir aygıtlarda tutarlı ışık kaynağı potansiyeline de kapı araladı. Zou, perovskit lazerin optik iletim, fotonik çip entegrasyonu ve giyilebilir cihazlar dahil geniş bir yelpazede kullanım vadettiğini kaydetti.
SONRAKİ ADIM: LAZER DİYOT
Ekip, entegre pompalama mimarisinden basit lazer diyot yapısına geçişin, daha kompakt ve ölçeklenebilir optoelektronik uygulamalar için doğal rota olduğunu değerlendiriyor. Di, elektrikle çalışan perovskit lazerlerin tanıtımının başlangıç olduğunu; mimarinin yalınlaştırılması ve yaşam ömrü–ısıl yönetim–kararlılık üçlüsünde ilerlemenin gündemde bulunduğunu aktardı.
