Физики из России решили 60-летнюю проблему создания перовскитного лазерного диода
Ученые из Сколтеха (группа ВЭБ.РФ) и их коллеги из Университета ИТМО и НИУ ВШЭ впервые продемонстрировали прямую электрическую накачку поляритонного лазера на основе галогенидного перовскитного микрокристалла, полученного из раствора. Результаты исследования представляют собой решение давней проблемы физики полупроводников и оптоэлектроники, которая десятилетиями оставалась препятствием на пути к решению технологической задачи: создать недорогие неэпитаксиальные лазерные диоды, работающие под непрерывным электрическим током. Такие устройства найдут применение в оптических сенсорах и спектроскопии, высокоскоростных вычислениях и энергоэффективных нейроморфных компьютерах.
Прямая электрическая инжекция в полупроводниках, полученных из раствора
Получаемые из раствора полупроводники включают органические материалы, квантовые точки и галогенидные перовскиты. Они представляют собой недорогую альтернативу сложным эпитаксиально выращенным кристаллам, которые синтезируют слой за слоем на поверхности твердой подложки. Однако создание электрически управляемых лазерных диодов на основе полупроводников из раствора долгое время оставалось чрезвычайно сложной задачей. При высокой плотности тока традиционные архитектуры светодиодов подвержены перегреву, который приводит к деградации материала.
Чтобы устранить это препятствие, научная группа Сколтеха воспользовалась уникальной физикой экситон-поляритонов — гибридных квазичастиц, возникающих при сильной связи между светом (фотонами) и связанными электрон-дырочными парами (экситонами) внутри оптического микрорезонатора. Благодаря своей бозонной природе поляритоны способны коллапсировать в единое макроскопическое квантовое состояние — бозе-эйнштейновский конденсат — и излучать когерентный лазерный свет при значительно более низких энергиях и плотностях заряда, чем в обычных полупроводниковых лазерах. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Исследователи интегрировали выращенный из раствора перовскитный пластинчатый микрокристалл с тонкопленочными электродами из однослойных углеродных нанотрубок внутри высокодобротного оптического микрорезонатора. Применив специальный двухэтапный протокол криоохлаждения, команда добилась контролируемого пространственного перераспределения подвижных ионов, сформировав стабильный, «замороженный» PIN-диод.
Этот «замороженный» PIN-диод обеспечил эффективную инжекцию носителей заряда без разрушения кристаллической решетки перовскита. Под непрерывным постоянным электрическим током устройство продемонстрировало поляритонную генерацию при низком пороговом токе в 60 микроампер.
«Достижение лазерной генерации при прямой электрической накачке в материалах, полученных из раствора, было одной из ключевых целей полупроводниковой оптоэлектроники на протяжении 60 лет, — говорит ведущий автор исследования, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Анатолий Пушкарев. — Сочетая химически инертные электроды из углеродных нанотрубок с подвижными галогенидными вакансиями в решетке перовскита, мы нашли рабочий способ предотвратить нежелательные реакции на границе между перовскитом и электродом и преодолеть омический нагрев. Инжекция носителей заряда в нашем устройстве создает сильно локализованный центр электролюминесценции в месте физического дефекта, который мы формируем вблизи конца пучка углеродных нанотрубок».
«Этот физический дефект создает притягивающий потенциал для свободных экситон-поляритонов и „захватывает“ их, — добавляет соавтор статьи, старший научный сотрудник Степан Барышев из Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха. — Мы отчетливо пронаблюдали три характерных признака конденсации захваченных экситон-поляритонов, а именно: нелинейный рост интенсивности излучения, сужение спектральной линии и синий сдвиг лазерного излучения при превышении порогового тока».
Трансформация фотонных технологий нового поколения
В отличие от традиционных полупроводниковых лазерных диодов, требующих сложных и дорогостоящих методов эпитаксиального выращивания, перовскитные микрорезонаторы, получаемые из раствора, можно изготавливать с помощью простой химии. Более того, поляритонные лазеры работают при плотностях возбуждения значительно ниже порога моттовского перехода, что сводит к минимуму энергопотребление и тепловыделение.
Возможность напрямую управлять конденсатами света и вещества с помощью электрического тока открывает конкретные перспективы практического применения сразу в нескольких областях. Такие электрически управляемые устройства могут служить маломощными интегрированными оптическими соединениями для высокоскоростных вычислений, компактными когерентными источниками света на чипе в оптических сенсорах и спектроскопии, а также лечь в основу энергоэффективных нейроморфных вычислительных систем и оптических логических схем на основе поляритонов.
«Эта работа дает рецепт для создания нового класса электрически управляемых источников когерентного света на основе полупроводников, получаемых из раствора, — добавляет научный руководитель исследования, заслуженный профессор Сколтеха Павлос Лагудакис, который руководит Лабораторией гибридной фотоники института. — Она соединяет фундаментальную физику поляритонов с практической инженерией оптоэлектронных устройств, прокладывая путь к реальным применениям поляритонных лазеров».
Telegram 
Дзен 
VK Нейросеть OpenAI добилась серьезного прорыва в математике, решив одну из семи «задач тысячелетия». Получат ли США, чьи нейросети опираются на гораздо более мощное «железо», чем у Китая, монополию на конвейер научных открытий? Даст ли это возможности сравнимые с их атомной монополией 80 лет назад?
Современная космология до недавнего времени опиралась на так называемый космологический принцип, по которому у Вселенной нет какого-то выделенного направления. И наблюдатель в любой ее точке должен видеть однородную в этом смысле картину. Астроном из Северокавказской астрофизической обсерватории показал, что это не так даже для очень древней Вселенной.
За всю свою историю радиус Меркурия мог уменьшиться намного больше, чем считалось. Поскольку часть следов этого процесса до сих пор оставалась незамеченной, прежние оценки могли быть серьезно занижены.
Нейросеть OpenAI добилась серьезного прорыва в математике, решив одну из семи «задач тысячелетия». Получат ли США, чьи нейросети опираются на гораздо более мощное «железо», чем у Китая, монополию на конвейер научных открытий? Даст ли это возможности сравнимые с их атомной монополией 80 лет назад?
Особо чистый германий — полупроводниковый материал с минимальным содержанием примесей, который активно используют в ядерной физике, медицине и оборонной промышленности. Российские ученые предложили новую технологию, позволяющую получить монокристаллы германия особой чистоты.
Современная космология до недавнего времени опиралась на так называемый космологический принцип, по которому у Вселенной нет какого-то выделенного направления. И наблюдатель в любой ее точке должен видеть однородную в этом смысле картину. Астроном из Северокавказской астрофизической обсерватории показал, что это не так даже для очень древней Вселенной.
Нейросеть OpenAI добилась серьезного прорыва в математике, решив одну из семи «задач тысячелетия». Получат ли США, чьи нейросети опираются на гораздо более мощное «железо», чем у Китая, монополию на конвейер научных открытий? Даст ли это возможности сравнимые с их атомной монополией 80 лет назад?
Сопротивление жителей Европы самой идее употребления насекомых в пищу может иметь эволюционные корни, уходящие вглубь тысячелетий, пришли к выводу авторы нового исследования. Оказалось, предки современных европейцев ели насекомых лишь эпизодически. Кроме того, из-за генетических мутаций они плохо переваривали их экзоскелеты.
После сокращения длины очередей и роста доступности бензина в первую неделю августа ситуация снова ухудшилась. Если с 20 июня по начало августа кризис носил в основном психологический характер, то сейчас ситуация принципиально иная: августовские атаки на НПЗ показали, что меры по усилению их противовоздушной обороны не были достаточно полными. Значит, прогноз автора Naked Science от 19 июля о том, что острая фаза кризиса закончится до конца лета, был частично неверным.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно