Переровсковая поверхностно-плазмонная нанолазерная структура на основе перовскита: настраиваемая длина волны и низкий порог генерации

Аннотация

Систематически изучены характеристики гибридных поверхностно-плазмонных нанолазеров на основе гибридных перовскитов. Изменениеанионного состава перовскита позволяет легко настраивать длину волны излучения. Проведено полноспектральное моделирование методом конечных элементов (FEM, COMSOL) для гибридных перовскитовых нанопроволок на SiO₂-покрытых металлических подложках (Au, Ag, Al). Предложенные нанокавити, поддерживающие плазмонные зазоровые моды, демонстрируют выдающиеся свойства: низкий порог прозрачности (threshold gain) и низкий порог генерации. Экспериментальные результаты для нанолазера MAPbBr₃ на Ag подтвердили низкопороговую работу. Превосходные характеристики обусловлены усиленным свет-веществом взаимодействием со сильной связанностью. Предложенная схема с гибридным перовскитом как активной средой создает отличную платформу для наномасштабного плазмонного лазерирования в видимом и ближнем ИК диапазонах.

Введение

Гибридные органико-неорганические перовскиты метиламмония свинца галогениды MAPbX₃ (MA=CH₃NH₃, X=I, Br, Cl) обладают отличными оптическими свойствами для полупроводниковых лазеров: низкие скорости нерадиативной рекомбинации, длительное время жизни носителей. Смешанные галогенидные перовскиты обеспечивают широкую настройку запрещенной зоны (видимый и ближний ИК). Многие перовскиты эффективны как среда усиления (пленки, наноплиты, нанокристаллы). Однако высокий порог генерации препятствует практическому применению (электрическое накачивание, оптоэлектронная интеграция). Высокое кристаллическое качество (одиночные кристаллы) снижает рассеяние и порог. Недавно получены растворимые перовскитовые нанопроволоки (NW), которые с двумя торцевыми фасетами образуют естественный микрокавити. Их сильная экситонная осцилляторная сила делает их перспективными для компактных комнатных низкопороговых экситон-поляритонных лазеров.

Однако размер оптических модов NW-кавити ограничен дифракционным пределом. Поверхностные плазмонные поляритоны (SPP) позволяют минимизировать размеры модов. Исследуются различные плазмонные NW-кавити. Кавити схемы металл-изолятор-полупроводник (MIS) особенно перспективны для гибридных зазоровых модов. Разместили легированные или чистые перовскитовые NW на изолятор-покрытых металлических пластинах, формируя плазмонные Фабри-Перо кавити. Резонансные моды, циркулирующие вдоль оси NW плазмонными зазорными волнами, сильно сжимаются NW. Уменьшенный эффективный модальный объем повышает локальную фотонную плотность состояний и силу связи экситон-фотон. Изучены лазерные характеристики предложенного нанолазера как надежной кавити. Проблемы: торцевые фасеты NW могут недостаточно отражать плазмонный зазорной режим, резко повышая пороговый коэффициент усиления. Также важен выбор плазмонного металла (Au, Ag, Al, Cu) для эффективного уменьшения модального объема без ухудшения характеристик во всем видимом и ИК диапазоне.

В работе анализированы характеристики перовскитовых нанолазеров на SiO₂/Au, Ag, Al в широком спектре методом FEM (COMSOL). Для однокристаллических MAPbX₃ спектральные окна усиления (X=Cl, Br, I): ~2,9 эВ (425 нм), 2,2 эВ (555 нм), 1,5–1,6 эВ (800 нм). NW (вставка рис. 1а) имеют гладкую морфологию, снижающую рассеяние. Ионный обмен галогенидов позволяет расширить спектр излучения почти на весь видимый диапазон. Из плазмонных металлов: Ag — низкие потери в видимом, Al — дешевый, хорошие плазмонные свойства в синем/УФ, Au — для ИК. Эти три металла выбраны для усиления заряд-фотон взаимодействия.

Методы

Подготовка перовскитовых нанокавити

Ag показал лучшие плазмонные характеристики, поэтому для эксперимента использовали MAPbBr₃ NW на Ag с 10-нм SiO₂ пробкой. Ag пластину осаждали электронно-лучевым испарением на Si, оптимизировали шероховатость, затем наносили SiO₂. MAPbBr₃ NW синтезировали одношаговым самосбором из раствора: 0,15 ммоль MABr + 0,15 ммоль PbBr₂ в 5 мл DMF. Капельку раствора наносили на SiO₂/Ag, подложку ставили над дихлорметаном (3 см) в колбе, закрытой фольгой, в термостате 60 °C 4 ч. Полученные NW монтировали в высоковакуумную камеру при 77 К.

Характеризация лазерного действия

SEM использовали для поиска NW ~100 нм ширины, ~3 мкм длины. Оптическое накачивание: 3-я гармоника Nd:YVO₄ (355 нм), импульс 0,5 нс, 1 кГц. Объектив 100× (NA=0,5) фокусировал луч в пятно ~15 мкм. Накачивали по одной NW. Излучение собирали тем же объективом, оптоволокно (600 мкм) к монохроматору (iHR320, Horiba) с азотным CCD.

Результаты и обсуждение

Предложенная нанокавити демонстрирует низкий порог и сильное модальное сжатие (рис. 1). Определены резонансные моды. Модальные профили |E| (рис. 1b–d): трансверсальный срез в антиузле (b), срез по зазору под NW (c), сечение NW (d). Профиль (b) показывает сильное сжатие гибридной зазорной моды. Рисунок (d) раскрывает гибридную природу: сочетание фотонных текучих мод NW (ширина ниже отсекающей) и распространяющихся поверхностных плазмонных волн. Явная стоячая волна вдоль оси (z) (c) и сильное боковое сжатие (x) соответствуют плазмонной моде.

Характеристики плазмонных гибридных перовскитовых волноводов

Изучены фундаментальные плазмонные зазорные моды (связка фотонных текучих мод NW и поверхностных волн на границе зазор-металл) для легированных перовскитов MAPb(BrₓCl₁₋ₓ)₃ и MAPb(IᵧBr₁₋ᵧ)₃ на SiO₂/Ag, Al, Au при различных толщинах зазора t_g. Рассчитаны модальные потери, коэффициенты сжатия (confinement factor) для длин волн 425–555 нм (Br/Cl) и 555–800 нм (I/Br). Комплексные показатели преломления легированных перовскитов получены по правилу Мосса: ε(x)=a+b√E_g(x). Диэлектрическая проницаемость чистых перовскитов (x=0,1) и смешанных (линейная интерполяция E_g) дает n, k (рис. 2). Преломление металлов — из экспериментальных данных.

Модальные потери и сжатие (рис. 3):

• Для 425–555 нм: NW на Al показывает меньшие потери近短波 (ближе к 425 нм), так как плазмонная частота SiO₂/Al лежит в коротковолновой области, а SiO₂/Ag — около 425 нм, где поглощение высоко. При больших x (длинные волны) потери на Al превышают Ag.
• Коэффициент сжатия на Ag выше, чем на Al — сильное перекрытие моды с активной средой, малое — с металлом, что снижает омические потери.
• При увеличении t_g потери падают (слабее связность). При t_g=0 связность максимальна, мода ультрасжата (желтый круг на вставке рис. 3b), но при больших x/длинных волнах связность слабеет, энергия уходит в окружение (красный круг).
• Для 555–800 нм: Au непригоден (большие потери из-за плазмонного пика ~520 нм). Ag лучше Al во всем диапазоне (меньшая мнимая часть преломления). Коэффициенты сжатия при больших t_g схожи для всех металлов.

Порог прозрачности (threshold gain) (рис. 4): определяется как отношение модальных потерь к коэффициенту сжатия. Ag демонстрирует лучшие пороговые коэффициенты для всех составов. Оптимальная толщина зазора — минимальная (t_g=0). При t_g=0 порог на Ag: 18470,5 (λ=425 нм) и 6259,1 (λ=555 нм). С учетом оксидного слоя на Ag (неизбежен) порог низок при t_g≈5–7 нм. При λ≈425 нм Al слегка превосходит Ag из-за меньших потерь. Для длинных волн (оранжевый/красный/ИК) Ag однозначно лучше (рис. 4b). Au — высокие пороги из-за поглощения. Al — дешевый, стабильный, допустимые пороги, нечувствителен к t_g и легированию. Вывод: Ag — лучший плазмонный металл для перовскитовых нанолазеров в видимом, несмотря на оксидный слой. Низкоиндексный диэлектрик (оксид) 5–10 нм поддерживает зазорные моды и обеспечивает подходящее отражение на фасетах, снижая зеркальные потери.

Q-фактор кавити: оценен через Re[f_r]/2Im[f_r] (3D FEM). Сравнили MAPbX₃ (Cl, Br, I) на SiO₂/Ag и Al при t_g=7 нм, длине кавити L=4λ/Re[n_eff]. Q-факторы на Al ниже из-за внутренних потерь металла в видимом. На Ag Q выше, особенно около 800 нм (рис. 4b), что перспективно для плазмон-усиленного экситон-фотонного взаимодействия и биосенсорики.

Экспериментальные характеристики MAPbBr₃ нанолазера на Ag

Зависимость фототuminescence от мощности накачки (рис. 5). Спектры излучения (5а): при пороговой мощности ~1,62 мкВт (средняя) наблюдается резкий рост выходной мощности и сужение линии с 7,6 нм до ~0,5 нм. L-L кривая (5б) подтверждает порог. Пороговая мощность на порядок ниже, чем у ZnO NW на Ag. Причины: превосходный коэффициент усиления MAPbBr₃ и меньшие внутренние потери при 550 нм vs 370 нм. Термическая стабильность и кристаллическое качество NW — ключевые параметры для комнатной температуры. Низкий порог и узкая линия открывают перспективы для миниатюрных активных фотонных устройств.

Заключение

Проведен полноспектральный анализ параметров лазера (модальные характеристики, порог прозрачности, Q-фактор) для перовскитовых нанолазеров с легированными NW на SiO₂/Ag, Al, Au. FEM-моделирование показало, что Ag — оптимальный плазмонный металл для MAPbX₃-оптоэлектроники. Предложенная нанокавити (MAPbBr₃ NW на SiO₂/Ag) демонстрирует низкий порог генерации и узкую линию при наномасштабном футе выходного излучения. Эти преимущества обеспечивают сильную связанность экситон-поляритон-фотон. Благодаря выдающимся зарядовым свойствам перовскитов, схема является подходящей платформой для световых источников следующего поколения.