Effiziente Wärmeableitung von Perowskit-Lasern unter Verwendung eines Diamantsubstrats mit hoher Wärmeleitfähigkeit

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Die Abbildung zeigt das Schema des vorgeschlagenen optisch gepumpten MAPbI3-Lasers im Flüstergaleriemodus (WGM), der aus einem dreieckigen MAPbI3-Nanoplättchen, einer SiO2-Lückenschicht und einem Diamantsubstrat besteht. KREDIT
© Science China Press

Abstract:
Perowskit-Laser haben bei der Entwicklung eines angeregten Dauerstrich-Lasers aus einem Femtosekunden-Puls angeregten Laser schnell Fortschritte gemacht, was als entscheidender Schritt hin zu elektrisch angeregtem Laser gilt. Nach dem Dauerstrichlasern bei Raumtemperatur besteht das nächste Ziel darin, elektrisch angetriebenes Lasern zu realisieren. In kommerziell erhältlichen elektrischen Injektionslasern weisen herkömmliche epitaktisch gewachsene Einkristallhalbleiter mit sowohl großer Wärmeleitfähigkeit κ als auch hoher Ladungsträgermobilität m normalerweise eine geringe Widerstandserwärmung bei großem Stromfluss auf. Während Perowskite große und ausgewogene Ladungsträgermobilitäten aufweisen, weisen sie niedrige κ-Werte auf. Die Wärmeleitfähigkeit von MAPbI3 beträgt 1–3 W m−1 K−1 und liegt damit unter der von GaAs (50 W m−1 K−1). Daher kann die durch Energieverluste über strahlungsfreie Wege umgewandelte Wärme nicht effektiv abgeführt werden. Dieser Fehler wird die Laserschwelle erhöhen, da Ladungsträger einen breiteren Energiebereich bei einer höheren Temperatur einnehmen, was die Besetzungsinversion eines bestimmten Übergangs zusammen mit anderen Problemen wie Degradation und wärmeinduzierten Defekten verwässert. Die niedrigste elektrische Anregungsschwelle eines Perowskitlasers mit verteilter Rückkopplung (Distributed Feedback, DFB) läge bei bis zu 24 mA cm−2. Darüber hinaus wäre aufgrund der Hochstrominjektion in herkömmlichen Perowskit-Leuchtdiodenarchitekturen, die für Lasergeräte verwendet werden, die externe Quanteneffizienz unter Hochstrominjektionsbedingungen aufgrund der Joule'schen Erwärmung erheblich eingeschränkt. Daher ist das Wärmemanagement ein Engpass bei der Entwicklung elektrisch angetriebener Laser auf Perowskitbasis.

Effiziente Wärmeableitungs-Perowskit-Laser unter Verwendung eines Diamantsubstrats mit hoher Wärmeleitfähigkeit

Peking, China | Gepostet am 14. April 2023

Vor diesem Hintergrund demonstrierte eine Gruppe von Forschern, darunter Prof. Guohui Li, Prof. Shengwang Yu, Prof. Yanxia Cui von der Technischen Universität Taiyuan und Prof. Kaibo Zheng von der Universität Lund, einen Perowskit-Nanoplättchenlaser auf einem Diamantsubstrat, der dies kann Leiten Sie die beim optischen Pumpen entstehende Wärme effizient ab. Der demonstrierte Laser verfügt über einen Q-Faktor von ~1962, eine Laserschwelle von 52.19 μJ cm−2. Ein enger optischer Einschluss wird auch durch die Einführung einer dünnen SiO2-Lückenschicht zwischen Nanoplättchen und dem Diamantsubstrat erreicht. Die Verteilung des elektrischen Feldes innerhalb der Strukturen zeigt, dass eine breite SiO2-Lücke mit einer Dicke von 200 nm offensichtlich ein geringeres Leckfeld im Diamantsubstrat erzeugt, was gleichzeitig auf eine bessere Modeneingrenzung innerhalb des MAPbI3-Nanoplättchens hindeutet. Sie untersuchten die Wärmeableitung in Perowskit-Nanoplättchenlasern auf dem Diamantsubstrat durch Temperaturschwankungen unter optischen Pumpbedingungen. Durch den Einbau des Diamantsubstrats zeichnet sich der Laser durch eine geringe pumpendichteabhängige Temperaturempfindlichkeit (~0.56 ± 0.01 K cm2 μJ−1) aus. Die Empfindlichkeit ist ein bis zwei Größenordnungen niedriger als die Werte für zuvor berichtete Perowskit-Nanodrahtlaser auf Glassubstraten. Das Diamantsubstrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit ermöglicht den Betrieb des Nanoplättchenlasers mit einer hohen Pumpdichte. Die Studie könnte die Entwicklung elektrisch angetriebener Perowskit-Laser inspirieren. Diese Arbeit wurde in SCIENCE CHINA Materials veröffentlicht (https://doi.org/10.1007/s40843-022-2355-6)

Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (U21A20496, 61922060, 61775156, 61805172,12104334, 62174117 und 61905173), dem Schlüsselforschungs- und Entwicklungsprogramm der Shanxi-Provinzen von Shanxi (202102150101007), dem Provinz Shanxi (2022), dem Provinz Shanxi und 020) unterstützt. Chemical Engineering Program (20210302123154SX-TD20210302123169), die Natural Science Foundation der Provinz Shanxi (2021 und 033), das vom Shanxi Scholarship Council of China unterstützte Forschungsprojekt (2021-008), das vom Shanxi-Zheda Institute of Advanced Materials unterstützte Forschungsprojekt und Chemieingenieurwesen (2020206SX-FR2020207) und das Sonderprojekt „Einführung von Talenten“ der Stadt Lvliang (Rc202006935009 und RcXNUMX). Guohui Li dankt auch dem China Scholarship Council (XNUMX) für seine Unterstützung.

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Guohui Li
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