Σε πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature, επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Zhejiang παρουσίασαν το πρώτο ηλεκτρικά κατευθυνόμενο λέιζερ περοβσκίτη, χρησιμοποιώντας καινοτόμο σχεδίαση διπλής κοιλότητας, επιλύοντας έτσι μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που αντιμετώπιζε ο τομέας εδώ και πάνω από δέκα χρόνια.
Η νέα συσκευή εμφανίζει κατώφλι εκπομπής λέιζερ (lasing threshold) μικρότερο κατά μία τάξη μεγέθους από τα καλύτερα ηλεκτρικά οργανικά λέιζερ και επιδεικνύει υψηλή σταθερότητα λειτουργίας και δυνατότητα γρήγορης εναλλαγής (modulation).
Η πρόκληση που επιμένει
Οι ημιαγωγοί περροβσκίτη θεωρούνται ιδανικά υλικά για εφαρμογές λέιζερ λόγω:
- υψηλών ενισχυτικών συντελεστών (gain),
- μεγάλων χρόνων ζωής φορέων (carrier lifetimes),
- ευέλικτης ρύθμισης εκπομπής φάσματος.
Παρά την επιτυχημένη λειτουργία λέιζερ μέσω οπτικής διέγερσης (με εξωτερικό λέιζερ), η ηλεκτρική διέγερση παρέμενε άπιαστο όνειρο.
«Η ηλεκτρική διέγερση λέιζερ περροβσκίτη θεωρείται η απόλυτη πρόκληση στο πεδίο», δήλωσε ο Chen Zou, κύριος συγγραφέας της μελέτης.
Τα βασικά εμπόδια:
- Υλικά: Δύσκολη η δημιουργία υψηλής ποιότητας μονοκρυστάλλων περροβσκίτη, με αντοχή σε υψηλά ρεύματα.
- Σχεδίαση συσκευής: Χαμηλή φωτεινή έξοδος από LED μικροκοιλοτήτων και χαμηλή απόδοση οπτικής σύζευξης (coupling) ανάμεσα σε στοιχεία λέιζερ.
Η λύση με διπλή κοιλότητα
Οι ερευνητές ανέπτυξαν αρχιτεκτονική διπλής κοιλότητας, διαχωρίζοντας τις λειτουργίες:
- Μετατροπή ηλεκτρικής σε οπτική ενέργεια (LED)
- Οπτική ενίσχυση & εκπομπή λέιζερ (κρυσταλλική κοιλότητα)
«Η έντονη εκπομπή φωτός από το LED στην πρώτη κοιλότητα απορροφάται από το μονοκρυσταλλικό περροβσκίτη της δεύτερης κοιλότητας, όπου συμβαίνει η ενίσχυση και η εκπομπή λέιζερ», εξήγησε ο καθηγητής Dawei Di.
Δομή συστήματος:
- Μικροκοιλότητα I: υψηλής ισχύος περροβσκίτης LED (σύνθεση: Cs₀.₅FA₀.₅PbI₂Br)
- Μικροκοιλότητα II: μονοκρύσταλλος FAPbI₃, με πολύ χαμηλό κατώφλι λέιζερ
- Σύζευξη: Βελτιωμένη οπτική σύζευξη έως 82.7% με μηχανική ελαχιστοποίηση απόστασης και διάχυσης
Τεχνικές λεπτομέρειες & επίδοση
Παραγωγή μονοκρυστάλλων:
- Τεχνική: Space-confined inverse temperature crystallization
- Διάρκεια: ~2 ημέρες
- Αποτελέσματα: Τραχύτητα επιφάνειας: 0.7 nm | Πάχος: ~180 nm
Ενσωμάτωση:
- Ενσωμάτωση και των δύο μικροκοιλοτήτων μεταξύ ανακλαστήρων Bragg (Distributed Bragg Reflectors) για μέγιστη σύζευξη.
Επιδόσεις συσκευής
- Κατώφλι εκπομπής λέιζερ:
- Ελάχιστο: 92 A/cm²
- Μέσο: 129 A/cm²
-
10x καλύτερο από τα καλύτερα ηλεκτρικά οργανικά λέιζερ
- Χρόνος ζωής λειτουργίας (half-life):
- 1.8 ώρες με παλμική λειτουργία (64.000 παλμοί στα 10 Hz)
-
Ανώτερο από υπάρχουσες οργανικές λύσεις, αλλά ακόμη περιορισμένο
«Ο κύριος περιοριστικός παράγοντας είναι η μετακίνηση ιόντων και η θερμική καταπόνηση», εξήγησε ο Zhao.
«Αυτά μπορούν να αντιμετωπιστούν με καλύτερη ψύξη και βελτίωση των υλικών».
Δυνατότητες ταχύτατης εναλλαγής
- Εύρος ζώνης: 36.2 MHz
- Χρόνος ανόδου/πτώσης: 5.4 / 5.1 ns
- → Ικανότητα γρήγορης ψηφιακής μετάδοσης δεδομένων μέσω λέιζερ
Μελλοντικές εφαρμογές
«Το λέιζερ περροβσκίτη μπορεί να αξιοποιηθεί σε:
- Οπτική μετάδοση δεδομένων
- Φωτονικά κυκλώματα
- Φορετές συσκευές (wearables)» – Chen Zou
Οι ερευνητές τονίζουν ότι πρόκειται για το πρώτο βήμα.
«Ο στόχος είναι να μεταβούμε από το τρέχον ενσωματωμένο σύστημα διέγερσης σε μια απλή διάταξη τύπου laser diode, κάτι που θα επιτρέψει πιο συμπαγείς και εμπορικές εφαρμογές», δήλωσε ο Di.
More information: Chen Zou et al, Electrically driven lasing from a dual-cavity perovskite device, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09457-2.
Journal information: Nature
