Российские физики сумели использовать миграцию ионов себе во благо
Российские физики нашли способ заставить перовскитный лазер работать без внешней оптической накачки. Для этого они использовали миграцию ионов, которая обычно считается одним из главных недостатком перовскитов. Статья опубликована в журнале Nature.
Лазер — это устройство, испускающее сфокусированный монохроматический пучок света. Сегодня лазерное излучение широко востребовано повсюду — от медицины до 3D-печати. Чтобы получить такой пучок, активную среду сначала накачивают энергией, а потом многократно усиливают возникающее излучение в оптическом резонаторе. В первых лазерах излучение возбуждали другим излучением, а сейчас чаще используют электрическую накачку: энергию в активную область подает не свет, а электрический ток. Такие лазеры компактнее и проще интегрируются в электронные приборы.
Особенно привлекательными кандидатами для таких лазеров считаются галогенидные перовскиты. Их можно выращивать из раствора, что может сделать производство дешевле традиционных полупроводниковых технологий. Но создать перовскитный лазер с прямой электрической накачкой оказалось очень непросто. Под действием поля в перовските начинается ионная миграция, деформация решетки, а вслед за ней — коррозия электродов. Кроме того, перовскитные кристаллы плохо проводят тепло и при больших токах быстро перегреваются. Это усиливает безызлучательную рекомбинацию — электроны и дырки начинают терять энергию в виде тепла, а не света. Охлаждение не решает проблему полностью, но вызывает рост сопротивления и нарушает баланс электронов и дырок. В общем, проблем с перовскитным лазером было немало, и попытка решить одну нередко усугубляла другие.
Остроумный выход из ситуации отыскали российские физики под руководством Анатолия Пушкарева (Anatoly P. Pushkarev) и Павлоса Лагудакиса (Pavlos G. Lagoudakis) из Университета Сколково. Они поместили микрокристалл перовскита CsPbBr3 между двумя электродами из одностенных углеродных нанотрубок и встроили полученное устройство в оптический микрорезонатор, образованный двумя брэгговскими зеркалами. После включения электрического поля в перовските ожидаемо начиналась ионная миграция и возникал p–i–n-переход — у анода образовывался слой, богатый дырками, а у катода — слой, богатый электронами. Это облегчало инжекцию носителей заряда. Однако при дальнейшем действии поля миграция продолжалась, проявлялись все ее негативные эффекты, и работа устройства ухудшалась. Чтобы остановить этот процесс, физики использовали охлаждение, но не стандартное, а двухэтапное. Сначала устройство охладили до 280 кельвин, немного замедлив движение ионов, а затем — до 8 кельвин. В результате удалось «заморозить» p–i–n-переход на нужной стадии, сохранив эффективную инжекцию носителей.
Кроме того, оптический микрорезонатор обеспечивал сильное взаимодействие света с экситонами в перовските. А охлаждение, вероятно, помогло этому процессу, стабилизировав экситоны. Благодаря этому устройство перешло в поляритонныйПоляритон — это составная квазичастица, которая появляется при сильном совместном взаимодействии света (фотона) и внутренних колебаний или возбуждений в веществе. Она объединяет в себе свойства обычной электромагнитной волны и частицы материала. В новости речь идет об экситон-поляритонах: свет плюс возбужденная пара электрон-дырка в полупроводнике. Подробнее о других видах поляритонов можно почитать в нашем материале «На гибридной волне». режим, при котором лазерная генерация возникает при меньшей плотности носителей, чем в обычном полупроводниковом лазере. Действительно, при достижении порогового тока в 60 микроампер интенсивность излучения скачком возросла на два порядка. Устройство начало испускать монохроматический зеленый свет.
Таким образом, авторы превратили главное препятствие для электрической накачки перовскитов в часть решения: сначала позволили ионам самостоятельно сформировать p–i–n-переход, а затем «заморозили» его двухэтапным охлаждением. Пока что устройство работает только при экстремально низких температурах, но предложенная российскими физиками стратегия может оказаться полезной и для других полупроводников, получаемых из раствора, а также приблизить практическое применение поляритонных лазеров.
В прошлом году мы рассказывали о красном перовскитном светодиоде, который разработали материаловеды из Китая. Ученые выяснили, что главной причиной проблем в работе диода была утечка дырок. Они вырастили на каждом зерне запирающий слой с более широкой запрещенной зоной и смогли получить устройство с рекордной яркостью и эффективностью.