Láseres de perovskita de disipación de calor eficientes que utilizan un sustrato de diamante de alta conductividad térmica

Láseres de perovskita de disipación de calor eficientes que utilizan un sustrato de diamante de alta conductividad térmica

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La figura muestra el esquema del láser de modo de galería susurrante (WGM) MAPbI3 bombeado ópticamente propuesto que comprende una nanoplaqueta MAPbI3 triangular, una capa de separación de SiO2 y un sustrato de diamante. CRÉDITO ©Science China Press
La figura muestra el esquema del láser de modo de galería susurrante (WGM) MAPbI3 bombeado ópticamente propuesto que comprende una nanoplaqueta MAPbI3 triangular, una capa de separación de SiO2 y un sustrato de diamante. CRÉDITO
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Abstracto:
Los láseres de perovskita han progresado rápidamente en el desarrollo de láseres excitados de onda continua a partir de un láser excitado por pulsos de femtosegundos, lo que se considera un paso crítico hacia los láseres excitados eléctricamente. Después de la emisión de láser de onda continua a temperatura ambiente, el próximo objetivo es realizar la emisión de láser impulsada eléctricamente. En los láseres de inyección eléctrica disponibles comercialmente, los semiconductores monocristalinos de crecimiento epitaxial tradicionales con una gran conductividad térmica κ y una alta movilidad del portador de carga m suelen exhibir un pequeño calentamiento resistivo bajo un gran flujo de corriente. Si bien las perovskitas poseen movilidades de portadores de carga grandes y equilibradas, sufren valores de κ pequeños. La conductividad térmica de MAPbI3 es de 1-3 W m−1 K−1, que es inferior a la del GaAs (50 W m−1 K−1). Por lo tanto, el calor convertido a partir de la pérdida de energía a través de vías no radiativas no puede disiparse de manera efectiva. Esta falla aumentará el umbral de emisión láser ya que los portadores ocupan un rango de energía más amplio a una temperatura más alta, diluyendo la inversión de población de cualquier transición dada junto con otros problemas como la degradación y los defectos inducidos por el calor. El umbral de excitación eléctrica más bajo de un láser de perovskita de retroalimentación distribuida (DFB) sería tan alto como 24 mA cm−2. Además, debido a la inyección de alta corriente en las arquitecturas de diodos emisores de luz de perovskita convencionales utilizadas para dispositivos láser, la eficiencia cuántica externa se vería significativamente restringida en condiciones de inyección de alta corriente debido al calentamiento Joule. Por lo tanto, la gestión del calor es un cuello de botella para el desarrollo de láseres eléctricos basados ​​en perovskita.

Láseres de perovskita de disipación de calor eficientes que utilizan un sustrato de diamante de alta conductividad térmica


Pekín, China | Publicado el 14 de abril de 2023

En este sentido, un grupo de investigadores, incluido el Prof. Guohui Li, el Prof. Shengwang Yu, el Prof. Yanxia Cui de la Universidad Tecnológica de Taiyuan y el Prof. Kaibo Zheng de la Universidad de Lund, demostraron un láser de nanoplaquetas de perovskita en un sustrato de diamante que puede disipar eficientemente el calor generado durante el bombeo óptico. El láser demostrado presenta un factor Q de ~1962, un umbral de emisión de láser de 52.19 μJ cm−2. El confinamiento óptico estricto también se logra mediante la introducción de una delgada capa de separación de SiO2 entre las nanoplaquetas y el sustrato de diamante. Las distribuciones de campo eléctrico dentro de las estructuras muestran que un amplio espacio de SiO2 de 200 nm de espesor produce evidentemente menos campo de fuga en el sustrato de diamante, lo que al mismo tiempo propone un mejor modo de confinamiento dentro de la nanoplaqueta MAPbI3. Evaluaron la disipación de calor en láseres de nanoplaquetas de perovskita en el sustrato de diamante mediante variaciones de temperatura en condiciones de bombeo óptico. El láser presenta una baja sensibilidad a la temperatura dependiente de la densidad de la bomba (~0.56 ± 0.01 K cm2 μJ−1) mediante la incorporación del sustrato de diamante. La sensibilidad es de uno a dos órdenes de magnitud inferior a los valores de los láseres de nanocables de perovskita informados anteriormente sobre sustratos de vidrio. El sustrato de diamante de alta conductividad térmica permite que el láser de nanoplaquetas funcione con una alta densidad de bombeo. El estudio podría inspirar el desarrollo de láseres de perovskita accionados eléctricamente. Este trabajo fue publicado en SCIENCE CHINA Materials (https://doi.org/10.1007/s40843-022-2355-6)

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (U21A20496, 61922060, 61775156, 61805172,12104334, 62174117 y 61905173), el programa clave de investigación y desarrollo de los materiales de Shanxi (202102150101007), shanxi-ded. Programa de Ingeniería Química (2022SX-TD020), la Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia de Shanxi (20210302123154 y 20210302123169), el Proyecto de Investigación Apoyado por el Consejo de Becas Shanxi de China (2021-033), el Proyecto de Investigación Apoyado por el Instituto Shanxi-Zheda de Materiales Avanzados e ingeniería química (2021SX-FR008), y el Proyecto especial de introducción de talentos de la ciudad de Lvliang (Rc2020206 y Rc2020207). Guohui Li también agradece el apoyo del Consejo de Becas de China (202006935009).

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