Ett internationellt team av forskare ledd av Kyushu University och Changchun Institute of Applied Chemistry, kinesiska vetenskapsakademin, har visat sig vara stabil, kontinuerlig lasring vid rumstemperatur i över en timme från en klass av lågkostnadsmaterial som kallas perovskiter, äntligen övervinna ett fenomen som hittills har förhindrat så lång drift.

Används i allt från tillverkning och forskning till kommunikation och underhållning på grund av deras mycket enhetliga ljusemission, lasrar klassificeras ofta efter det material som omvandlar ingående energi – vanligtvis antingen ljus eller elektricitet – till laserljus, med vanliga material inklusive oorganiska och organiska halvledare, gaser och kristaller.

Den senaste utvecklingen inom perovskiter har gjort dem attraktiva för lasrar eftersom de kan tillverkas från lösning till låg kostnad för att ha avstämbara färger och utmärkt stabilitet, men ett fenomen som kallas "lasing death" gör att lasring under konstant drift i rumstemperatur upphör efter några minuter av orsaker som varit oklara.

Nu, forskare från Kyushu University och Changchun Institute of Applied Chemistry rapporterar i tidskriften Natur att de har lyckats övervinna den lasande döden i kvasi-2-D perovskiter genom att ta hänsyn till energitillstånd som kallas triplettexcitoner.

"Förverkligandet av lasrar baserade på organiska halvledare har i första hand hindrats av förluster orsakade av uppbyggnaden av tripletter. situationen för trillingar i kvasi-2-D perovskiter hade ännu inte beaktats fullt ut, " säger Chuanjiang Qin, professor vid Changchun Institute of Applied Chemistry, kinesiska vetenskapsakademin, och ledande forskare i studien.

Medan energi i optoelektroniska enheter ofta betraktas i termer av positiva och negativa laddningar, motsatta laddningar kan också komma samman och tillfälligt bilda ett energitillstånd som kallas exciton innan de frigör sin energi. Excitoner observeras ofta i organiska halvledare och, på grund av kvantmekaniska överväganden, faller oftast in i två typer som kallas singlar och trillingar, med ljusemission nästan omöjligt för trillingar.

De kvasi-2-D perovskiter som forskarna studerade är en kombination av oorganiska och organiska ämnen, med regioner av perovskitkristaller bestående av samma komponenter som upprepas i alla riktningar inklämda mellan organiska ark. Teamet hittade nyligen bevis på triplettexcitoner med lång livslängd på nästan en mikrosekund i materialen, så de fokuserade på trillingar som den möjliga orsaken till den svåra döden.

"Tripletter avger inte ljus och har en tendens att interagera med ljusemitterande singletter på ett sätt som gör att båda förlorar sin energi utan att producera ljus, " förklarar Qin. "Därför, om trillingar finns i perovskiter, vi måste förmodligen få dem ur vägen så att de inte stör lasningen."

Att göra detta, forskarna införlivade i perovskiterna ett organiskt lager som håller trillingar i ett lågenergitillstånd. Eftersom excitonerna vill flytta till lägre energier, de långlivade triplettexcitonerna överförs från den ljusemitterande delen av perovskiten till de organiska skikten, därigenom minskar förlusterna och tillåter lasring under konstant optisk excitation att fortsätta utan avbrott. Alternativt forskarna fann att de också kunde få kontinuerlig laserning genom att helt enkelt sätta perovskitskiktet i luften eftersom syre kan förstöra trillingar, bekräftar vidare att förluster orsakade av trillingar är en möjlig orsak till dödsfall.

I deras bästa optiskt drivna enheter, intensiteten av lasringen under kontinuerlig drift var nästan oförändrad efter en timme vid rumstemperatur i luft med en relativ fuktighet på 55 %, och lasrspektra bibehöll sin smalhet utan att förskjutas.

"Vi har visat trillingarnas nyckelroll i lasringsprocessen för dessa typer av perovskiter och vikten av att hantera tripletter för att uppnå kontinuerlig lasring, " säger Chihaya Adachi, chef för Kyushu Universitys Center for Organic Photonics and Electronics Research och ledare för Kyushu University-teamet. "Dessa nya rön kommer att bana väg för den framtida utvecklingen av en ny klass av elektriskt drivna lasrar baserade på perovskiter som är billiga och lätta att tillverka."