มหาวิทยาลัยปักกิ่งค้นพบแหล่งกำเนิดเลเซอร์ต่อเนื่องเพอร์รอฟสไกต์ที่มีขนาดเล็กกว่า 1 ตารางไมครอน

มหาวิทยาลัยปักกิ่งตระหนักถึง perovskite อย่างต่อเนื่องแหล่งกำเนิดเลเซอร์มีขนาดเล็กกว่า 1 ตารางไมครอน
สิ่งสำคัญคือต้องสร้างแหล่งกำเนิดเลเซอร์ต่อเนื่องโดยมีพื้นที่อุปกรณ์น้อยกว่า 1μm2 เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการใช้พลังงานต่ำของการเชื่อมต่อโครงข่ายแบบออปติกบนชิป (<10 fJ bit-1) อย่างไรก็ตาม เมื่อขนาดอุปกรณ์ลดลง การสูญเสียแสงและวัสดุจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นการบรรลุขนาดอุปกรณ์ที่ต่ำกว่าไมครอนและการปั๊มแสงอย่างต่อเนื่องของแหล่งกำเนิดเลเซอร์จึงเป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างยิ่ง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุเฮไลด์เพอร์รอฟสไกต์ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในด้านเลเซอร์ที่ถูกปั๊มด้วยแสงอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากได้รับแสงสูงและคุณสมบัติโพลาริตอนของ exciton ที่เป็นเอกลักษณ์ พื้นที่อุปกรณ์ของแหล่งเลเซอร์ต่อเนื่องของ perovskite ที่รายงานจนถึงขณะนี้ยังคงมากกว่า 10μm2 และแหล่งเลเซอร์ระดับซับไมครอนล้วนต้องการแสงพัลส์ที่มีความหนาแน่นพลังงานของปั๊มสูงกว่าเพื่อกระตุ้น

เพื่อตอบสนองต่อความท้าทายนี้ กลุ่มวิจัยของ Zhang Qing จาก School of Materials Science and Engineering of Peking University ประสบความสำเร็จในการเตรียมวัสดุผลึกเดี่ยวขนาดซับไมครอน perovskite คุณภาพสูง เพื่อให้ได้แหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบออพติคอลปั๊มอย่างต่อเนื่องโดยมีพื้นที่อุปกรณ์ต่ำถึง 0.65μm2 ในขณะเดียวกันก็เผยให้เห็นโฟตอน กลไกของโพลาไรตันของ exciton ในกระบวนการเลเซอร์แบบปั๊มต่อเนื่องแบบออพติคัลระดับซับไมครอนนั้นเป็นที่เข้าใจอย่างลึกซึ้ง ซึ่งเป็นแนวคิดใหม่สำหรับการพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีเกณฑ์ต่ำขนาดเล็ก ผลการศึกษาเรื่อง "Continuous Wave Pumped Perovskite Lasers with Device Area Below 1 μm2" ได้รับการเผยแพร่เมื่อเร็วๆ นี้ใน Advanced Materials

ในงานนี้ แผ่นไมครอนผลึกเดี่ยว CsPbBr3 ของเพอร์รอฟสไกต์อนินทรีย์ถูกเตรียมบนพื้นผิวแซฟไฟร์โดยการสะสมไอสารเคมี พบว่าการมีเพศสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งของ perovskite excitons กับโฟตอน microcavity ของผนังเสียงที่อุณหภูมิห้องส่งผลให้เกิดการก่อตัวของโพลาไรตอน excitonic ผ่านชุดหลักฐาน เช่น ความเข้มข้นของการเปล่งแสงเชิงเส้นถึงไม่เชิงเส้น ความกว้างของเส้นแคบ การเปลี่ยนแปลงโพลาไรเซชันของการแผ่รังสี และการเปลี่ยนแปลงการเชื่อมโยงกันเชิงพื้นที่ที่จุดเริ่มแรก เลเซอร์ลาซเรืองแสงที่ถูกปั๊มแบบออปติกอย่างต่อเนื่องของผลึกเดี่ยว CsPbBr3 ขนาดต่ำกว่าไมครอน ได้รับการยืนยัน และพื้นที่อุปกรณ์ มีค่าต่ำเพียง 0.65μm2 ในเวลาเดียวกัน พบว่าเกณฑ์ของแหล่งกำเนิดเลเซอร์ระดับซับไมครอนนั้นเทียบได้กับเกณฑ์ของแหล่งกำเนิดเลเซอร์ขนาดใหญ่ และอาจต่ำกว่านั้นด้วยซ้ำ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1 ซับไมครอน CsPbBr3 ที่ถูกสูบแบบออพติคอลอย่างต่อเนื่องแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์

นอกจากนี้ งานนี้สำรวจทั้งเชิงทดลองและเชิงทฤษฎี และเปิดเผยกลไกของ exciton-polarized excitons ในการทำให้เกิดแหล่งเลเซอร์ต่อเนื่องระดับซับไมครอน การมีเพศสัมพันธ์ระหว่างโฟตอน-เอ็กไซตอนที่ได้รับการปรับปรุงในเพอร์รอฟสกี้ขนาดต่ำกว่าไมครอนส่งผลให้ดัชนีการหักเหของกลุ่มเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเป็นประมาณ 80 ซึ่งจะเพิ่มอัตราขยายของโหมดอย่างมากเพื่อชดเชยการสูญเสียโหมด นอกจากนี้ยังส่งผลให้แหล่งกำเนิดเลเซอร์ระดับไมครอนเพอรอฟสไกต์มีค่าปัจจัยคุณภาพไมโครคาวิตีที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นและมีเส้นแนวการปล่อยที่แคบลง (รูปที่ 2) กลไกนี้ยังให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับการพัฒนาเลเซอร์ขนาดเล็กและมีเกณฑ์ต่ำโดยใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ

รูปที่ 2 กลไกของแหล่งกำเนิดเลเซอร์ขนาดต่ำกว่าไมครอนโดยใช้โพลาไรซอนแบบเอ็กซิโทนิก

ซ่ง เจี่ยเผิง นักศึกษา Zhibo ปี 2020 จาก School of Materials Science and Engineering แห่งมหาวิทยาลัยปักกิ่ง เป็นผู้เขียนบทความนี้คนแรก และมหาวิทยาลัยปักกิ่งเป็นหน่วยแรกของบทความนี้ Zhang Qing และ Xiong Qihua ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Tsinghua เป็นผู้เขียนที่เกี่ยวข้อง งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติของจีน และมูลนิธิวิทยาศาสตร์ปักกิ่งสำหรับคนหนุ่มสาวที่โดดเด่น