В течение многих лет сообщалось об усилении света в перовскитных квантовых точках, но в большинстве работ количественный анализ был недостаточным. Для оценки способности усиления света необходим «коэффициент усиления», с помощью которого выявляется важнейшая характеристика лазерной среды. Эффективная лазерная среда — это та, которая имеет большой коэффициент усиления.

Ученые ищут способы увеличить этот коэффициент усиления. В недавнем исследовании группе исследователей под руководством профессора Квангсеука Кима (Kwangseuk Kyhm) с факультета оптики и мехатроники Пусанского национального университета в Корее удалось повысить коэффициент усиления сигнала в перовскитовых нанолистах CsPbBr₃ с уникальным волноводным рисунком. Их исследование было опубликовано в журнале Light: Science & Applications 24 ноября 2023 года.

Перовскитовые нанолисты представляют собой двумерные структуры, расположенные в листоподобных конфигурациях в наномасштабе, и обладают характеристиками, которые делают их ценными для различных применений. Их достижение позволяет преодолеть недостатки квантовых точек CsPbBr₃, усиление которых изначально ограничено из-за Оже-процесса, который существенно сокращает время затухания инверсии населенности (состояние, при котором больше членов системы находятся в более высоких, возбужденных состояниях, чем в более низких, невозбужденных энергетических состояниях). Профессор Ким объясняет:

Перовскитовые нанолисты могут стать новой лазерной средой, и эта работа продемонстрировала, что усиление света может быть достигнуто на основе крошечных перовскитовых нанолистов, синтезированных химическим путем.

Исследователи также предложили новый анализ усиления «контур усиления», чтобы преодолеть ограничения предыдущего анализа усиления. Хотя старый метод позволяет получить спектр усиления, он не может проанализировать насыщение усиления при большой длине оптических полос. Поскольку „контур усиления“ иллюстрирует изменение усиления в зависимости от энергии спектра и длины оптической полоски, очень удобно анализировать локальное изменение усиления в зависимости от энергии спектра и длины оптической полоски.

Исследователи также изучили зависимость контура усиления от возбуждения и температуры, а также узорчатый волновод на основе полиуретана-акрилата, который увеличил как усиление, так и термическую стабильность перовскитовых нанолистов. Это улучшение было связано с улучшением оптического удержания и теплоотвода, чему способствовали двумерные экситоны с ограниченным центром масс и локализованные состояния, возникающие из-за неоднородной толщины листа и дефектных состояний.

Реализация такого узорчатого волновода перспективна для эффективного и контролируемого усиления сигнала и может способствовать разработке более надежных и универсальных устройств на основе перовскитовых нанолистов, включая лазеры, сенсоры и солнечные элементы. Кроме того, он может оказать влияние на отрасли, связанные с шифрованием и дешифрованием информации, нейроморфными вычислениями и коммуникациями в видимом свете. Кроме того, усиление и повышение эффективности могут помочь перовскитным солнечным элементам лучше конкурировать с традиционными солнечными элементами на основе кремния.

Исследование также способно оказать значительное влияние на оптику и фотонику. Полученные данные помогут оптимизировать работу лазеров, улучшить передачу сигналов в оптической связи и повысить чувствительность фотоприемников. Это, в свою очередь, может позволить устройствам работать более надежно.

В перспективе, когда потребуется интенсивный свет в наномасштабе, перовскитовые нанолисты можно будет объединить с другими наноструктурами, что позволит использовать усиленный свет в качестве оптического зонда. Однако успешное применение перовскитовых нанолистов в различных областях, включая потребительские товары, такие как смартфоны и освещение, будет зависеть от преодоления проблем, связанных с их стабильностью, масштабируемостью и токсичностью.

До сих пор перовскитовые квантовые точки изучались для лазеров, но такие нульмерные структуры имеют фундаментальные ограничения. В этой связи наша работа позволяет предположить, что двумерная структура перовскитовых нанолистов может стать альтернативным решением, — заключает профессор Ким.