มหาวิทยาลัยปักกิ่งประสบความสำเร็จในการสร้างเพอร์รอฟสไกต์แบบต่อเนื่องแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์เล็กกว่า 1 ตารางไมครอน
การสร้างแหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบต่อเนื่องที่มีพื้นที่อุปกรณ์น้อยกว่า 1 μm² เป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการใช้พลังงานต่ำของการเชื่อมต่อทางแสงบนชิป (<10 fJ bit⁻¹) อย่างไรก็ตาม เมื่อขนาดของอุปกรณ์ลดลง การสูญเสียทางแสงและวัสดุจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ดังนั้นการบรรลุขนาดอุปกรณ์ระดับซับไมครอนและการกระตุ้นด้วยแสงอย่างต่อเนื่องของแหล่งกำเนิดเลเซอร์จึงเป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างยิ่ง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุเพอร์รอฟสไกต์เฮไลด์ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในด้านเลเซอร์ที่กระตุ้นด้วยแสงอย่างต่อเนื่องเนื่องจากมีอัตราการขยายแสงสูงและคุณสมบัติเอ็กซิตอนโพลาไรตันที่เป็นเอกลักษณ์ พื้นที่อุปกรณ์ของแหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบต่อเนื่องเพอร์รอฟสไกต์ที่รายงานมาจนถึงปัจจุบันยังคงมีขนาดใหญ่กว่า 10 μm² และแหล่งกำเนิดเลเซอร์ระดับซับไมครอนทั้งหมดต้องใช้แสงพัลส์ที่มีความหนาแน่นของพลังงานกระตุ้นสูงกว่าเพื่อกระตุ้นการทำงาน
เพื่อตอบสนองต่อความท้าทายนี้ กลุ่มวิจัยของจาง ชิง จากคณะวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยปักกิ่ง ประสบความสำเร็จในการเตรียมวัสดุผลึกเดี่ยวเพอร์รอฟสไกต์ขนาดเล็กกว่าไมครอนคุณภาพสูง เพื่อให้ได้แหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบปั๊มด้วยแสงต่อเนื่องที่มีพื้นที่อุปกรณ์ต่ำถึง 0.65 μm² ในขณะเดียวกัน กลไกของเอ็กซิตอนโพลาไรตันในกระบวนการเลเซอร์แบบปั๊มด้วยแสงต่อเนื่องขนาดเล็กกว่าไมครอนก็ได้รับการไขกระจ่างอย่างลึกซึ้ง ซึ่งเป็นแนวคิดใหม่สำหรับการพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ขนาดเล็กที่มีเกณฑ์ต่ำ ผลการศึกษาเรื่อง “เลเซอร์เพอร์รอฟสไกต์แบบปั๊มด้วยคลื่นต่อเนื่องที่มีพื้นที่อุปกรณ์ต่ำกว่า 1 μm²” ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Materials เมื่อเร็วๆ นี้
ในงานวิจัยนี้ แผ่นไมครอนผลึกเดี่ยวเพอร์รอฟสไกต์อนินทรีย์ CsPbBr3 ถูกเตรียมขึ้นบนพื้นผิวแซฟไฟร์โดยวิธีการตกตะกอนไอสารเคมี พบว่าการจับคู่ที่แข็งแกร่งของเอ็กซิตอนเพอร์รอฟสไกต์กับโฟตอนของไมโครแควิทีผนังเสียงที่อุณหภูมิห้องส่งผลให้เกิดการก่อตัวของเอ็กซิตอนิกโพลาไรตัน จากหลักฐานหลายประการ เช่น ความเข้มของการปล่อยแสงแบบเชิงเส้นไปเป็นแบบไม่เชิงเส้น ความกว้างของเส้นแคบ การเปลี่ยนแปลงโพลาไรเซชันของการปล่อยแสง และการเปลี่ยนแปลงความสอดคล้องเชิงพื้นที่ที่จุดเริ่มต้น ยืนยันได้ว่าเลเซอร์ฟลูออเรสเซนซ์แบบต่อเนื่องที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงของผลึกเดี่ยว CsPbBr3 ขนาดเล็กกว่าไมครอนนั้นมีอยู่จริง และพื้นที่ของอุปกรณ์มีขนาดเล็กเพียง 0.65 μm² ในขณะเดียวกัน พบว่าจุดเริ่มต้นการทำงานของแหล่งกำเนิดเลเซอร์ขนาดเล็กกว่าไมครอนนั้นเทียบได้กับแหล่งกำเนิดเลเซอร์ขนาดใหญ่ และอาจต่ำกว่าด้วยซ้ำ (รูปที่ 1)
รูปที่ 1. CsPbBr3 ขนาดเล็กกว่าไมครอนที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงอย่างต่อเนื่องแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์
นอกจากนี้ งานวิจัยนี้ยังสำรวจทั้งในเชิงทดลองและเชิงทฤษฎี และเปิดเผยกลไกของเอ็กซิตอนโพลาไรซ์ในการสร้างแหล่งกำเนิดเลเซอร์ต่อเนื่องระดับซับไมครอน การเพิ่มขึ้นของการเชื่อมต่อโฟตอน-เอ็กซิตอนในเพอร์รอฟสไกต์ระดับซับไมครอนส่งผลให้ดัชนีหักเหของกลุ่มเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเป็นประมาณ 80 ซึ่งเพิ่มการขยายโหมดอย่างมากเพื่อชดเชยการสูญเสียโหมด ส่งผลให้แหล่งกำเนิดเลเซอร์เพอร์รอฟสไกต์ระดับซับไมครอนมีค่าคุณภาพไมโครแควิทีที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นและมีความกว้างของเส้นการปล่อยแสงแคบลง (รูปที่ 2) กลไกนี้ยังให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ในการพัฒนาเลเซอร์ขนาดเล็กที่มีเกณฑ์ต่ำโดยใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ
รูปที่ 2 กลไกการสร้างแหล่งกำเนิดเลเซอร์ระดับซับไมครอนโดยใช้โพลาไรซอนเอ็กซิโทนิก
ซง เจียเผิง นักศึกษาทุนจือป๋อ ปี 2020 จากคณะวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยปักกิ่ง เป็นผู้เขียนหลักของบทความ และมหาวิทยาลัยปักกิ่งเป็นหน่วยงานแรกของบทความ จาง ชิง และซง ฉีฮวา ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยชิงหัว เป็นผู้เขียนร่วม งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติของจีน และมูลนิธิวิทยาศาสตร์ปักกิ่งสำหรับนักวิจัยรุ่นใหม่ที่มีผลงานโดดเด่น
วันที่โพสต์: 12 กันยายน 2023