Sedan deras uppfinning 1962, Halvledardiodlasrar har revolutionerat kommunikationen och gjort det möjligt att lagra och hämta information på CD-skivor, DVD- och Blu-ray-enheter. Dessa diodlasrar använder oorganiska halvledare som odlas i utarbetade högvakuumsystem. Nu, ett team av forskare från Penn State och Princeton University har tagit ett stort steg mot att skapa en diodlaser från ett hybrid organiskt-oorganiskt material som kan deponeras från lösning på en laboratoriebänk.

"Det är vanligtvis inte ett stort steg att förvandla en lysdiod till en laser, sa Chris Giebink, biträdande professor i elektroteknik, Penn State. "Du lägger i princip bara till speglar och driver det hårdare. När organiska lysdioder uppfanns för 30 år sedan, alla trodde att så fort vi hade relativt effektiva OLED:er, att en organisk laserdiod snart skulle följa."

Som det blev, organiska diodlasrar visade sig vara riktigt svåra att göra.

En organisk laserdiod kan ha fördelar. Först, eftersom organiska halvledare är relativt mjuka och flexibla, organiska lasrar skulle kunna införlivas i nya formfaktorer som inte är möjliga för deras oorganiska motsvarigheter. Även om oorganiska halvledarlasrar har relativt begränsade våglängder, eller färger, av ljus de sänder ut, en organisk laser kan producera vilken våglängd som helst som en kemist vill syntetisera i labbet genom att skräddarsy strukturen på de organiska molekylerna. Denna inställning kan vara mycket användbar i tillämpningar som sträcker sig från medicinsk diagnostik till miljöavkänning.

Ingen har ännu lyckats göra en organisk laserdiod, men nyckeln kan mycket väl involvera relaterade material - organiska/oorganiska perovskiter - som har fått mycket uppmärksamhet i forskarvärlden under de senaste åren. Detta hybridmaterial har redan varit ansvarigt för en kraftig ökning av effektiviteten hos solceller, sa Giebink.

Perovskiter är ganska vanliga mineraler som delar en liknande kubisk kristallstruktur. Lite paradoxalt nog, en av anledningarna till att dessa hybridperovskitmaterial fungerar så bra i solceller är att de är bra ljussändare. Av den anledningen, de är också av intresse för användning i lysdioder och lasrar. Materialet som Giebink och hans kollegor studerar är sammansatt av ett oorganiskt perovskitundergitter med relativt stora organiska molekyler instängda i mitten.

"Det slutliga målet är att göra en elektriskt driven perovskitlaserdiod, " sade Giebink. "Det skulle vara en spelförändring. Det är ganska lätt att göra perovskitmaterialet lasa genom optisk pumpning, det är, genom att lysa en annan laser på den. Dock, detta har bara fungerat för mycket korta pulser på grund av ett dåligt förstått fenomen som vi kallar lasing death. Att få det att gå kontinuerligt är ett viktigt steg mot en eventuell elektriskt driven enhet. Det vi hittade i den här senaste studien är en nyfiken egenhet. Vi kan undvika att förlora döden helt och hållet bara genom att sänka temperaturen på materialet lite för att inducera en partiell fasövergång."

I en tidning publicerad online idag (20 november) i tidskriften Nature Photonics , Giebink och kollegor rapporterar den första "Kontinuerlig våglasing i en organisk-oorganisk blyhalogenid perovskit-halvledare."

"När vi sänkte temperaturen under fasövergången, vi blev förvånade över att finna att materialet initialt avgav ljus från lågtemperaturfasen, men bytte sedan över inom 100 nanosekunder och började lasera från högtemperaturfasen - i över en timme, sa Yufei Jia, en doktorand i Giebinks labb och huvudförfattare. "Det visade sig att när materialet värmdes upp, även om det mesta av materialet förblev i lågtemperaturfasen, små fickor av högtemperaturfasen bildas, och det var därifrån lasringen kom."

I vissa oorganiska lasrar finns det smala områden som kallas kvantbrunnar där laddningsbärare kan fångas när elektronerna och hålen faller ner i brunnarna. Intensiteten på lasringen beror på hur många laddningsbärare som kan packas in i kvantbrunnarna. I perovskitmaterialet, arrangemanget av högtemperaturfasinneslutningarna inuti lågtemperaturbulken verkar efterlikna dessa kvantbrunnar och kan spela en roll för att möjliggöra den kontinuerliga lasringen.

"Juryn är fortfarande ute på denna förklaring, sade Giebink. Det kan vara något mer subtilt.

Ändå, dessa resultat pekar mot en möjlighet att konstruera ett material som har de inbyggda egenskaperna hos detta blandade fasarrangemang, men utan att faktiskt behöva kyla materialet till låg temperatur. Det aktuella dokumentet pekar på ett par idéer för hur dessa material skulle kunna utformas. Nästa stora steg är då att byta från optisk pumpning med extern laser till en perovskitelaserdiod som kan drivas direkt med elektrisk ström.

"Om vi ​​kan lösa problemet med elektriska pumpar, perovskitlasrar kan förvandlas till en teknik med verkligt kommersiellt värde, sa Giebink.