[論文レビュー] Room-temperature continuous-wave operation of organometal halide perovskite lasers

Zhitong Li, Jiyoung Moon+6 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2018

Perovskite Materials and Applications参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、大気中で常時光励起を用いた室温連続波発光を、シリコン基板上に積層したメチルアンモニウム lead チドウ (MAPbI3) パーベスカイトレーザーで実証した。この成果は、熱的ナノインプリントリソグラフィーにより実現された超低閾値発光（13 W/cm²）に起因し、強いモード閉じ込めと発光特性の向上を実現した高Qファクターキャビティを形成したことに起因する。

ABSTRACT

Solution-processed organic-inorganic lead halide perovskites have recently emerged as promising gain media for tunable semiconductor lasers, and have come to rival inorganic III-V group semiconductors as the material candidate for chip-scale lasers. Although electrically pumped lasing at room temperature is the ultimate goal, optically pumped continuous-wave lasing at room temperature,a prerequisite for a laser diode,has not been achieved so far. Here, we report lasing action in a surface emitting distributed feedback methylammonium lead iodide (MAPbI3) perovskite laser on silicon substrate, at room temperature under continuous-wave optical pumping, in ambient air environment. This outstanding performance is achieved by the ultra-low lasing threshold of 13 W/cm2, which is enabled by the thermal nanoimprint lithography that directly patterns perovskite into a high Q cavity with large mode confinement, while at the same time improves perovskite emission characteristics. Our results represent a major step toward the realization of perovskite laser diodes, which is essential in the future insertion of perovskite lasers into photonic integrated circuits, for applications in optical computing, sensing and on-chip quantum information.

研究の動機と目的

• 大気中条件下で室温で連続波発光を達成すること。
• 実用化を阻害してきた高い発光閾値の課題を克服すること。
• 光子集積回路へのペルオキシドレーザーの統合を可能にすること。
• 光学的品質とモード閉じ込めを向上させるスケーラブルなプロセスを実証すること。

提案手法

• 熱的ナノインプリントリソグラフィーを用いて、シリコン基板上にペルオキシド材料を直接パターン形成し、分散フィードバック構造を形成した。
• 作製されたデバイスは、強い空間的モード閉じこめを実現する高Qファクター（Q）キャビティを有しており、発光閾値を低減した。
• 室温で大気中条件下で連続的光励起を施し、発光性能を評価した。
• ペルオキシド材料はメチルアンモニウム lead チドウ (MAPbI3) であり、溶液プロセスを用いてパターン化された基板上に直接堆積した。
• 発光スペクトル測定を、励起強度を変化させながら行い、閾値動作を特定した。
• デバイスの幾何形状を最適化することで、光学的フィードバックと発光効率を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペルオキシドレーザーは大気中で室温連続波発光を達成できるか？
• RQ2 ペルオキシドベースの分散フィードバック構造で発光を達成するための最小励起強度は何か？
• RQ3 ナノインプリントリソグラフィーは、ペルオキシドレーザーの光学的品質とモード閉じ込めをどのように向上させるか？
• RQ4 溶液プロセスによるペルオキシドは、冷却や封止なしに連続波発光を維持できるか？

主な発見

• ペルオキシドレーザーは、大気中で室温連続波発光を達成し、発光閾値はわずか13 W/cm²であった。
• 発光波長は約770 nmであり、狭いスペクトル幅から高いスペクトル純度が示された。
• 熱的ナノインプリントリソグラフィーで作製された高Qファクターキャビティは、モード閉じこめを顕著に向上させ、発光閾値を低減した。
• 連続的光励起下でも長時間にわたり安定した発光動作を示し、耐久性を確認した。
• シリコン基板上へのペルオキシドの直接統合により、既存の光子集積回路プラットフォームとの互換性が実現された。