Perovskitmaterial lockar fortfarande stort intresse för solcellstillämpningar. Nu betraktas nanostrukturerna av perovskitmaterial som ett nytt lasermedium. Under årens lopp har ljusförstärkning i perovskitkvantprickar rapporterats, men de flesta av verken presenterar otillräcklig kvantitativ analys.
För att bedöma ljusförstärkningsförmågan är en "förstärkningskoefficient" nödvändig, varvid den väsentliga egenskapen hos ett lasermedium avslöjas. Ett effektivt lasermedium är ett som har en stor vinst, och forskare har undersökt sätt att öka denna vinst.
Nu, i en nyligen genomförd studie, har ett team av forskare under ledning av professor Kwangseuk Kyhm från Institutionen för optik och mekatronik vid Pusan National University i Korea lyckats förbättra signalförstärkningen i perovskit-nanoark av CsPbBr3 med ett unikt vågledarmönster.
Deras studie är publicerad i tidskriften Light:Science &Applications .
Perovskite nanosheets är tvådimensionella strukturer arrangerade i arkliknande konfigurationer på nanoskala och har egenskaper som gör dem värdefulla för olika tillämpningar.
Deras prestation övervinner bristerna i CsPbBr3 kvantprickar, vars vinst i sig är begränsad på grund av Auger-processen, som väsentligen förkortar sönderfallstiden för populationsinversion (ett tillstånd där fler medlemmar av systemet befinner sig i högre, exciterade tillstånd än i lägre, oexciterade energitillstånd).
Prof. Kyhm förklarar, "Perovskite nanosheets kan vara ett nytt lasermedium, och detta arbete har visat att ljusförstärkning kan uppnås baserat på små perovskite nanosheets som syntetiseras kemiskt."
Forskarna föreslog också en ny vinstanalys av "gain contour" för att övervinna gränsen för tidigare vinstanalys. Även om den gamla metoden ger ett förstärkningsspektrum, kan den inte analysera förstärkningsmättnaden för långa optiska bandlängder. Eftersom "förstärkningskonturen" illustrerar variationen av förstärkningen med avseende på spektrumenergi och optisk bandlängd, är det mycket bekvämt att analysera den lokala förstärkningsvariationen längs spektrumenergi och optisk bandlängd.
Forskarna studerade också excitationen och temperaturberoendet hos förstärkningskonturen och den mönstrade vågledaren baserad på polyuretan-akrylat, vilket ökade både förstärkningen och den termiska stabiliteten hos perovskit-nanoark. Denna förbättring tillskrevs förbättrad optisk inneslutning och värmeavledning, vilket underlättades av de tvådimensionella masscentrum-begränsade excitonerna och lokaliserade tillstånd som härrörde från den inhomogena plåttjockleken och defekta tillstånden.
Implementeringen av en sådan mönstrad vågledare är lovande för effektiv och kontrollerad signalförstärkning och kan bidra till utvecklingen av mer tillförlitliga och mångsidiga enheter baserade på perovskite nanosheets, inklusive lasrar, sensorer och solceller. Dessutom kan det också påverka industrier relaterade till kryptering och dekryptering av information, neuromorfisk beräkningar och kommunikation med synligt ljus.
Dessutom kan förbättrad förstärkning och ökad effektivitet hjälpa perovskitsolceller att konkurrera bättre med traditionella kiselbaserade solceller.
Studien är också redo att påverka optik och fotonik avsevärt. De insikter som erhållits kan hjälpa till att optimera laserdriften, förbättra signalöverföringen i optisk kommunikation och förbättra känsligheten i fotodetektorer. Detta kan i sin tur tillåta enheter att fungera mer tillförlitligt.
På lång sikt, när intensivt ljus behövs på nanoskala, kan perovskite nanosheets kombineras med andra nanostrukturer, vilket gör att det förstärkta ljuset kan fungera som en optisk sond. Den framgångsrika tillämpningen av perovskite nanoark inom olika områden, inklusive konsumentprodukter som smartphones och belysning, skulle dock bero på att övervinna utmaningar relaterade till deras stabilitet, skalbarhet och toxicitet.
"Hintills har perovskitkvantprickar studerats för lasrar, men sådana nolldimensionella strukturer har grundläggande begränsningar. I detta avseende tyder vårt arbete på att den tvådimensionella strukturen hos perovskit-nanoark kan vara en alternativ lösning", avslutar Prof. Kyhm .
Mer information: Inhong Kim et al, Gain enhancement of perovskite nanosheets by a patterned waveguide:excitation and temperature dependence of gain saturation, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01313-0
Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar
Tillhandahålls av Pusan National University
