มหาวิทยาลัยปักกิ่งสร้างแหล่งกำเนิดเลเซอร์ต่อเนื่องเพอรอฟสไกต์ที่มีขนาดเล็กกว่า 1 ตารางไมครอน

มหาวิทยาลัยปักกิ่งได้ตระหนักถึงความต่อเนื่องของเพอรอฟสไกต์แหล่งกำเนิดเลเซอร์เล็กกว่า 1 ตารางไมครอน
การสร้างแหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบต่อเนื่องที่มีพื้นที่อุปกรณ์น้อยกว่า 1 ไมโครเมตร เป็นสิ่งสำคัญ เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการใช้พลังงานต่ำของการเชื่อมต่อแบบออปติคัลบนชิป (<10 ไมโครจูล บิต-1) อย่างไรก็ตาม เมื่อขนาดอุปกรณ์ลดลง การสูญเสียแสงและวัสดุจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ดังนั้นการบรรลุขนาดอุปกรณ์ย่อยไมครอนและการปั๊มแสงอย่างต่อเนื่องของแหล่งกำเนิดเลเซอร์จึงเป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างยิ่ง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุเพอรอฟสไกต์ฮาไลด์ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในด้านเลเซอร์แบบปั๊มแสงอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากมีค่าเกนแสงสูงและคุณสมบัติโพลาริตอนของเอกไซตอนที่เป็นเอกลักษณ์ พื้นที่อุปกรณ์ของแหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบต่อเนื่องเพอรอฟสไกต์ที่มีรายงานจนถึงปัจจุบันยังคงมากกว่า 10 ไมโครเมตร และแหล่งกำเนิดเลเซอร์ย่อยไมครอนทั้งหมดต้องการแสงพัลส์ที่มีความหนาแน่นของพลังงานปั๊มสูงกว่าเพื่อกระตุ้น

เพื่อรับมือกับความท้าทายนี้ กลุ่มวิจัยของจาง ชิง จากคณะวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยปักกิ่ง ประสบความสำเร็จในการเตรียมวัสดุผลึกเดี่ยวเพอรอฟสไกต์ขนาดต่ำกว่าไมครอนคุณภาพสูง เพื่อให้ได้แหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบปั๊มแสงต่อเนื่องที่มีพื้นที่อุปกรณ์เพียง 0.65 ไมโครเมตร ในขณะเดียวกัน โฟตอนก็ถูกเปิดเผย กลไกของโพลาริตอนของเอกไซตอนในกระบวนการเลเซอร์แบบปั๊มแสงต่อเนื่องขนาดต่ำกว่าไมครอนเป็นที่เข้าใจอย่างลึกซึ้ง ซึ่งนำไปสู่แนวคิดใหม่สำหรับการพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เกณฑ์ต่ำขนาดเล็ก ผลการศึกษาเรื่อง “เลเซอร์เพอรอฟสไกต์แบบปั๊มคลื่นต่อเนื่องที่มีพื้นที่อุปกรณ์ต่ำกว่า 1 ไมโครเมตร” ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Materials เมื่อเร็ว ๆ นี้

ในงานวิจัยนี้ แผ่นผลึกเดี่ยว CsPbBr3 ชนิดอนินทรีย์เพอรอฟสไกต์ขนาดไมครอนถูกเตรียมบนวัสดุรองรับแซฟไฟร์โดยการสะสมไอเคมี พบว่าการควบแน่นอย่างแน่นหนาของเอกไซตอนเพอรอฟสไกต์กับโฟตอนไมโครคาวิตี้ของผนังเสียงที่อุณหภูมิห้อง ส่งผลให้เกิดโพลาริตอนเอกไซตอน จากหลักฐานต่างๆ เช่น ความเข้มของการแผ่รังสีเชิงเส้นเป็นแบบไม่เชิงเส้น ความกว้างของเส้นที่แคบ การเปลี่ยนแปลงโพลาไรเซชันของการแผ่รังสี และการเปลี่ยนแปลงความสอดคล้องเชิงพื้นที่ที่ระดับขีดจำกัด พบว่าเลเซอร์ฟลูออเรสเซนซ์แบบปั๊มแสงอย่างต่อเนื่องของผลึกเดี่ยว CsPbBr3 ขนาดต่ำกว่าไมครอนได้รับการยืนยัน และพื้นที่ของอุปกรณ์มีค่าต่ำถึง 0.65 ไมโครเมตร2 ในขณะเดียวกัน พบว่าระดับขีดจำกัดของแหล่งกำเนิดเลเซอร์ขนาดต่ำกว่าไมครอนนั้นเทียบเท่ากับแหล่งกำเนิดเลเซอร์ขนาดใหญ่ และอาจต่ำกว่านั้นด้วยซ้ำ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1. CsPbBr3 ซับไมครอนที่สูบด้วยแสงอย่างต่อเนื่องแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์

นอกจากนี้ งานวิจัยนี้ยังศึกษาทั้งในเชิงทดลองและเชิงทฤษฎี และเผยให้เห็นกลไกของเอกไซตอนโพลาไรซ์เอกไซตอนในการสร้างแหล่งกำเนิดเลเซอร์ต่อเนื่องขนาดซับไมครอน การเพิ่มคัปปลิ้งโฟตอน-เอกไซตอนในเพอรอฟสไกต์ขนาดซับไมครอนส่งผลให้ดัชนีหักเหของกลุ่มเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเป็นประมาณ 80 ซึ่งเพิ่มค่าเกนโหมดอย่างมากเพื่อชดเชยการสูญเสียโหมด นอกจากนี้ยังส่งผลให้แหล่งกำเนิดเลเซอร์ขนาดซับไมครอนเพอรอฟสไกต์มีค่าตัวประกอบคุณภาพไมโครคาวิตี้ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นและเส้นความกว้างของการแผ่รังสีแคบลง (รูปที่ 2) กลไกนี้ยังให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ เกี่ยวกับการพัฒนาเลเซอร์ขนาดเล็กที่มีเกณฑ์ต่ำโดยอาศัยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ

รูปที่ 2 กลไกของแหล่งกำเนิดเลเซอร์ขนาดย่อยไมครอนโดยใช้โพลาไรซอนแบบเอกไซโทนิก

ซ่ง เจี๋ยเผิง นักศึกษาคณะวิทยาศาสตร์วัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยปักกิ่ง ปี 2020 เป็นผู้เขียนคนแรกของบทความวิจัยนี้ และมหาวิทยาลัยปักกิ่งเป็นหน่วยแรกของบทความวิจัยนี้ จาง ชิง และสยง ฉีหัว ศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยชิงหัว เป็นผู้เขียนร่วม งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติจีน และมูลนิธิวิทยาศาสตร์ปักกิ่งเพื่อเยาวชนดีเด่น