Auf dem Weg zum Perowskit-Laser

  • 21. November 2017

Eine Stunde kontinuierliche Emission nach optischer Anregung erreicht.

Perowskit-Materialien sollen wegen ihrer verblüffend hohen Wirkungs­grade nicht nur zu günsti­geren Solar­zellen führen. Auch als Laser­material sind die hybriden orga­nisch-anorga­nischen Kristalle mit variabler Band­lücke prinzi­piell geeignet. Neben geringen Ferti­gungs­kosten lockt eine neue Laser-Klasse mit ein­stell­baren Wellen­längen. Auf diesem Weg gelang nun einer Forscher­gruppe aus den USA erst­mals die Anre­gung einer konti­nuier­lichen Licht­emission, die länger als eine Stunde anhielt.

Perowskit-Laser

Abb.: Schichtaufbau eines Prototyps für einen Perowskit-Laser, der länger als eine Stunde konti­nuier­lich korre­liertes Licht emit­tierte. (Bild: Y. Jia et al. / NPG)

Yufei Jia von der Pennsylvania State University und seine Kollegen von der Princeton Univer­sity nutzten für ihre Laser-Proto­typen das Perowskit-Material Methyl­ammonium­blei­iodid. Es zeigte bereits in früheren Studien, dass es prinzi­piell als Halb­leiter für die ver­stärkte spontane Emission von Licht geeignet ist. Mit litho­gra­fischen Ver­fahren depo­nierten die Forscher eine struk­tu­rierte Schicht aus Aluminium­oxid auf einer Saphir-Unter­lage und bedeckten diese mit einem nass­chemischen Ver­fahren mit einer 120 Nano­meter dünnen Perowskit-Schicht.

Frühere Versuche mit diesem erprobten Perowskit-Material zeigten bei Tempe­ra­turen über 160 Kelvin bereits, dass nach einem optischen Pumpen eine Emis­sion von Laser­licht prinzi­piell möglich ist. Doch währte der Effekt nur einige Dutzend Nano­sekunden und war daher für weitere Ent­wick­lungen oder tech­nische Anwen­dungen nicht zu nutzen. Um dieses „Laser-Tod-Phänomen“ zu ver­meiden, kühlten Jia und seine Kollegen ihre Proto­typen auf bis zu hundert Kelvin ab. Dabei durch­liefen die Perowskit-Kristalle einen Phasen­wechsel von einer tetra­gonalen Struktur zu einem ortho­rhom­bischen Aufbau.

Angeregt mit 920 Nanosekunden langen Pulsen einer Laser­diode aus Indium­gallium­nitrid mit einer Wellen­länge von 445 Nano­metern und einer Inten­sität von 37,5 Kilo­watt pro Quadrat­zenti­meter reagierte das Perowskit-Material mit der konti­nuier­lichen Emission von Laser­licht. Anfangs fand sich das Emissions­maximum bei 750 Nano­metern Wellen­länge, das sich kurz darauf etwas zu einem Maximum bei 790 Nano­meter verschob. Dieses Ver­halten ließ sich mit mehreren Modulen repro­du­zieren. Im deut­lichen Unter­schied zu früheren Ver­suchen blieb die Emission von Laser­licht dank der perma­nenten Kühlung auf etwa hundert Kelvin etwas länger als eine Stunde stabil.

Die Lichtemission bei 790 Nanometern Wellenlänge konnten die Wissen­schaftler der optischen Anre­gung der ortho­rhom­bischen Perowskit­phase zuordnen. Die etwas kürzere Wellen­länge wurde dagegen von der tetra­gonalen Perowskit­phase emit­tiert. Von den anre­genden Laser­pulsen etwas erwärmt, fand punk­tuell inner­halb von Zeit­spannen kürzer als einer Mikro­sekunde ein Phasen­wechsel statt, der ohne Licht­ein­fall wegen der anhal­tenden Kühlung rever­sibel war. Warum aller­dings der punk­tu­elle Wechsel zur tetra­gonalen Perowskit­phase, die zuvor für eine konti­nuier­liche Licht­emission nicht geeignet war, nun einen länger anhal­tenden Laser­effekt ermög­lichte, konnten die Forscher bisher nicht klären.

In weiteren Versuchen wollen Jia und seine Kollegen das Ver­halten der Perowskit-Misch­phasen – tetra­gonal und ortho­rhombisch – besser analy­sieren. Doch ihre Experi­mente zeigen jetzt schon, dass Perowskite durchaus für eine neue Klasse von Lasern geeignet sind. Eine konti­nuier­liche Licht­emission gilt als gute Aus­gangs­position, um die optische Anre­gung durch eine rein elek­trische ersetzen zu können. Sollte auch dieser Schritt gelingen, ließen sich Perowskit-Laser­dioden mit je nach chemischer Zusammen­setzung varia­blen Wellen­längen günstig in nass­chemischen Ver­fahren produ­zieren.

Jan Oliver Löfken

RK

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