Laser continu et stable obtenu à partir de pérovskites à faible coût à température ambiante – Science

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l’Université de Kyushu et l’Institut de chimie appliquée de Changchun, l’Académie chinoise des sciences, a démontré un laser stable et continu à température ambiante pendant plus d’une heure à partir d’une classe de matériaux à faible coût appelés pérovskites en surmontant enfin un phénomène qui a jusqu’ici empêché une opération aussi longue.

Utilisés dans tout, de la fabrication à la recherche en passant par les communications et les divertissements en raison de leur émission lumineuse très uniforme, les lasers sont souvent classés en fonction du matériau qu’ils contiennent qui convertit l’énergie d’entrée – généralement la lumière ou l’électricité – en lumière, avec des matériaux communs, notamment inorganiques et semi-conducteurs organiques, gaz et cristaux.

Les développements récents dans une classe de matériaux connus sous le nom de pérovskites les ont rendus attrayants pour les lasers car ils peuvent être fabriqués à partir d’une solution à faible coût pour avoir des couleurs réglables et une excellente stabilité, mais un phénomène appelé mort par laser provoque l’arrêt du laser en fonctionnement constant à température ambiante. après quelques minutes pour des raisons qui ne sont pas claires.

Maintenant, des chercheurs de l’Université de Kyushu et de l’Institut de chimie appliquée de Changchun rapportent dans la revue Nature qu’ils ont réussi à surmonter la mort par laser dans des pérovskites quasi-2D en prenant en compte des états énergétiques appelés excitons triplets.

“La réalisation de lasers à base de semi-conducteurs organiques a été principalement entravée par les pertes causées par l’accumulation de triplets. Cependant, la situation des triplets dans les pérovskites quasi-2D n’avait pas encore été pleinement prise en compte”, déclare Chuanjiang Qin, professeur à l’Institut de Changchun de Chimie appliquée, Académie chinoise des sciences, et chercheur principal de l’étude.

Alors que l’énergie dans les dispositifs optoélectroniques est souvent considérée en termes de charges positives et négatives, des charges opposées peuvent également se rassembler et former temporairement un état énergétique appelé exciton avant de libérer leur énergie. Les excitons sont fréquemment observés dans les semi-conducteurs organiques et, en raison de considérations de mécanique quantique, tombent le plus souvent en deux types appelés singulets et triplets, l’émission de lumière étant presque impossible pour les triplets.

Les pérovskites quasi-2D que les chercheurs ont étudiées sont une combinaison d’éléments inorganiques et organiques, avec des régions de cristaux de pérovskite constituées des mêmes composants répétés dans toutes les directions entre des feuilles organiques. L’équipe a récemment trouvé des preuves d’excitons de triplets avec une longue durée de vie de près d’une microseconde dans les matériaux, ils se sont donc concentrés sur les triplets comme cause possible de la mort par laser.

«Les triplets n’émettent pas de lumière et ont tendance à interagir avec les singulets émettant de la lumière d’une manière qui fait perdre à la fois leur énergie sans produire de lumière», explique Qin. “Ainsi, si des triplets sont présents dans les pérovskites, nous devons probablement les éliminer pour qu’ils n’interfèrent pas avec le laser.”

Pour ce faire, les chercheurs ont incorporé aux pérovskites une couche organique qui retient les triplets dans un état de basse énergie. Parce que les excitons veulent passer à des énergies plus basses, les excitons triplets à longue durée de vie sont transférés de la partie électroluminescente de la pérovskite vers les couches organiques, réduisant ainsi les pertes et permettant au laser sous excitation optique constante de se poursuivre sans interruption. Alternativement, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient également obtenir un laser continu en mettant simplement la couche de pérovskite dans l’air puisque l’oxygène peut détruire les triplets, confirmant en outre que les pertes causées par les triplets sont une cause possible de mort par laser.

Dans leurs meilleurs appareils à alimentation optique, l’intensité du laser en fonctionnement continu était presque inchangée après une heure à température ambiante dans l’air avec une humidité relative de 55%, et les spectres laser ont maintenu son étroitesse sans se déplacer.

“Nous avons démontré le rôle clé des triplets dans le processus laser de ces types de pérovskites et l’importance de la gestion des triplets pour obtenir un laser continu”, déclare Chihaya Adachi, directrice du Center for Organic Photonics and Electronics Research de l’Université de Kyushu et responsable du Kyushu Équipe universitaire. “Ces nouvelles découvertes ouvriront la voie au développement futur d’une nouvelle classe de lasers électriques basés sur des pérovskites qui sont peu coûteux et faciles à fabriquer.”

Source de l’histoire:

Matériel fourni par l’Université de Kyushu. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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