ИТМО + Сколтех + ВШЭ создали первый в мире перовскитный лазерный диод

Лазерный диод кажется привычной вещью ровно до попытки собрать его из кристалла, выросшего из раствора. Такой перовскит легко светится при оптической накачке, но электрический контакт способен испортить поверхность, внести потери и превратить хрупкий излучатель в нагреватель. Группа ИТМО, Сколтеха и ВШЭ сумела заставить микропластину CsPbBr3 генерировать в микрополости при постоянном токе. Статья вышла в Nature; авторы называют устройство неэпитаксиальным перовскитным поляритонным лазерным диодом.

Активный кристалл размером около 5×9 мкм и толщиной 435 нм поместили между брэгговскими зеркалами. С обеих сторон к нему подходят плёнки одностенных углеродных нанотрубок. Для этой задачи контакт обязан проводить ток, быть достаточно прозрачным для поля микрополости и не вступать в разрушительную химию с ионным перовскитом. SWCNT выполняют все три роли. Вблизи пучка нанотрубок образуется локальный оптический центр, где и концентрируется излучение.

Секрет работы устройства лежит ещё и в процедуре охлаждения. Исходная структура с несимметричными контактами ведёт себя как MSM-диод с барьерами Шоттки. Авторы подавали 0.5 мкА при охлаждении, чтобы подвижные ионы и вакансии в CsPbBr3 перестроили внутреннее поле. Затем распределение зарядов «замораживается», и в микропластине возникает выпрямляющий p–i–n-профиль. Это необычный диод: его активный переход формируется прямо в собранном приборе, а не выращивается заранее слоями эпитаксии.

В полости фотон многократно проходит через перовскит и сильно взаимодействует с экситонами — связанными парами электрона и дырки. Возникают поляритоны, гибридные квазичастицы света и вещества. Они могут массово занять одно состояние до того, как плотность инжектированных носителей разрушит экситоны в электронно-дырочную плазму. Именно этот режим даёт шанс получить когерентное излучение при сравнительно малой инжекции.

При 8 K порог нашли на 60 мкА и 3.95 В, что соответствует плотности тока около 2.8 кА/см². В режиме 65 мкА видна поляритонная генерация. Интенсивность у порога возрастает более чем на два порядка, линия одной из мод сужается с 24 до 2.5 мэВ и сдвигается в синюю сторону. Угловые спектры согласуются с моделью связанных фотонных и экситонных мод, поэтому это не просто яркая электролюминесценция перовскита.

У опыта есть жёсткая граница: дальнейший рост тока нагревает микроструктуру, излучение насыщается и затем подавляется. Рабочие 8 K отделяют красивую демонстрацию физики от лазерного диода для платы или оптического кабеля. Но сам приём важен: растворный кристалл, нанотрубочные электроды и полость впервые собраны в схему, где постоянный ток создаёт поляритонную генерацию. Следующий материал должен удержать сильную связь, p–i–n-профиль и тепло уже без криостата.