Lasers pérovskites à dissipation thermique efficaces utilisant un substrat de diamant à haute conductivité thermique

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La figure montre le schéma du laser en mode galerie chuchotante (WGM) MAPbI3 pompé optiquement proposé, comprenant une nanoplaquette triangulaire MAPbI3, une couche d'espacement en SiO2 et un substrat en diamant. CRÉDIT
© Science China Press

Résumé:
Les lasers à pérovskite ont rapidement progressé dans le développement d'un laser excité à onde continue à partir d'un laser excité par impulsion femtoseconde, ce qui est considéré comme une étape critique vers un laser excité électriquement. Après le laser à onde continue à température ambiante, le prochain objectif est de réaliser un laser à commande électrique. Dans les lasers à injection électrique disponibles dans le commerce, les semi-conducteurs monocristallins épitaxiaux traditionnels présentant à la fois une grande conductivité thermique κ et une mobilité élevée des porteurs de charge m présentent généralement un faible échauffement résistif sous un flux de courant important. Bien que les pérovskites possèdent des mobilités de porteurs de charge importantes et équilibrées, elles souffrent de faibles valeurs κ. La conductivité thermique de MAPbI3 est de 1-3 W m−1 K−1, ce qui est inférieur à celle de GaAs (50 W m−1 K−1). Par conséquent, la chaleur convertie à partir de la perte d’énergie par des voies non radiatives ne peut pas être dissipée efficacement. Cet échec augmentera le seuil d'émission laser, car les porteurs occuperont une plage d'énergie plus large à une température plus élevée, diluant ainsi l'inversion de population d'une transition donnée ainsi que d'autres problèmes tels que la dégradation et les défauts induits par la chaleur. Le seuil d’excitation électrique le plus bas d’un laser pérovskite à rétroaction distribuée (DFB) pourrait atteindre 24 mA cm−2. De plus, en raison de l'injection de courant élevé dans les architectures de diodes électroluminescentes pérovskites classiques utilisées pour les dispositifs laser, l'efficacité quantique externe serait considérablement limitée dans des conditions d'injection de courant élevé en raison du chauffage Joule. Par conséquent, la gestion de la chaleur constitue un goulot d’étranglement pour le développement de lasers électriques à base de pérovskite.

Lasers pérovskites à dissipation thermique efficace utilisant un substrat en diamant à haute conductivité thermique

Pékin, Chine | Publié le 14 avril 2023

Dans cette optique, un groupe de chercheurs, dont le professeur Guohui Li, le professeur Shengwang Yu, le professeur Yanxia Cui de l'Université de technologie de Taiyuan et le professeur Kaibo Zheng de l'Université de Lund, ont démontré un laser à nanoplaquettes pérovskite sur un substrat de diamant qui peut dissiper efficacement la chaleur générée lors du pompage optique. Le laser présenté présente un facteur Q d'environ 1962 et un seuil laser de 52.19 μJ cm−2. Un confinement optique étroit est également réalisé en introduisant une fine couche d'espacement de SiO2 entre les nanoplaquettes et le substrat de diamant. Les distributions de champ électrique à l'intérieur des structures montrent qu'un large espace SiO2 de 200 nm d'épaisseur produit évidemment moins de champ de fuite dans le substrat de diamant, proposant simultanément un meilleur confinement des modes au sein de la nanoplaquette MAPbI3. Ils ont évalué la dissipation thermique dans les lasers à nanoplaquettes pérovskites sur le substrat de diamant par variations de température dans des conditions de pompage optique. Le laser présente une faible sensibilité à la température dépendant de la densité de la pompe (~ 0.56 ± 0.01 K cm2 μJ−1) grâce à l'incorporation du substrat de diamant. La sensibilité est inférieure d’un à deux ordres de grandeur aux valeurs des lasers à nanofils de pérovskite précédemment rapportés sur des substrats de verre. Le substrat en diamant à haute conductivité thermique permet au laser à nanoplaquettes de fonctionner à une densité de pompe élevée. L’étude pourrait inspirer le développement de lasers à pérovskite à commande électrique. Ce travail a été publié dans SCIENCE CHINA Materials (https://doi.org/10.1007/s40843-022-2355-6)

Ce travail a été soutenu par la National Natural Science Foundation of China (U21A20496, 61922060, 61775156, 61805172,12104334, 62174117, et 61905173), le programme de recherche et de développement clé de la province de Shanxi (202102150101007), Shanxi-Zheda Institut de Adanced Matières et Adanced et Adanced et Materials et Adanced et Adanced Matières et Advente Programme de génie chimique (2022SX-TD020), Fondation des sciences naturelles de la province du Shanxi (20210302123154 et 20210302123169), projet de recherche soutenu par le Shanxi Scholarship Council of China (2021-033), projet de recherche soutenu par l'Institut des matériaux avancés du Shanxi-Zheda et génie chimique (2021SX-FR008), et le projet spécial d'introduction des talents de la ville de Lvliang (Rc2020206 et Rc2020207). Guohui Li reconnaît également le soutien du China Scholarship Council (202006935009).

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La source: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57334

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