[論文レビュー] Sub-micron single-particle perovskite plasmonic nanolasers at room temperature

Sangyeon Cho, Yi Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2020

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ポリマー被覆金基板上に堆積したセシウム・ lead ブロマイドペロブスカイト（CsPbBr3）結晶を用いて、室温・サブミクロン単一粒子プラズモニックナノレーザーを実証した。パルフェル効果、長いキャリア拡산長、高い自発的放出因子、および高い群速度指数を活用することで、2.3 eVでレーザー発振を達成し、最小デバイスサイズは0.56 × 0.58 × 0.32 μm³にまで小型化された。これは、同研究で得られた最小のフォトニクスレーザーの10分の1であり、三次元ナノスケールレーザーの小型化において重要な前進を示している。

ABSTRACT

Plasmonic nanolasers have received a substantial interest for their promising applications in integrated photonics, optical sensing, and biomedical imaging. To date, a room-temperature plasmonic nanolaser, submicron in all dimensions, remains elusive in the visible regime due to high metallic losses. Here, we demonstrate single-particle lasing around 2.3 eV with full-submicron, cesium lead bromide perovskite (CsPbBr3) crystals atop polymer-coated gold substrates at room temperature. With a large number (~100) of devices in total, we systematically study the lasing action of plasmonic test and photonic control groups. The achieved smallest plasmonic laser was 0.56 micrometer x 0.58 micrometer x 0.32 micrometer in size, ten-fold smaller than that of our smallest photonic laser. Key elements to efficient plasmonic lasing are identified as enhanced optical gain by the Purcell effect, long carrier diffusivity, a large spontaneous emission factor, and a high group index. Our results shed light on three-dimensional miniaturization of plasmonic lasers.

研究の動機と目的

• 金属的損失がこれまでのところこのような動作を妨げていたにもかかわらず、可視光帯域における室温・サブミクロンプラズモニックナノレーザーの実現を目的とする。
• 高い光学的利得と望ましいキャリアダイナミクスを示すペロブスカイト材料を用いることで、プラズモニックレーザーにおける高い金属的損失を克服することを目的とする。
• 単一粒子ペロブスカイトナノクリスタルを用いて、プラズモニックレーザーの三次元的ミニチュア化を、回折限界を下回るスケールで実証することを目的とする。
• プラズモニックおよびフォトニクスレーザー構成を体系的に比較し、レーザー効率におけるプラズモニック強化の寄与を特定することを目的とする。

提案手法

• ポリマー被覆金基板上にサブミクロンサイズのCsPbBr3ペロブスカイトナノクリスタルを形成し、プラズモニックモードの閉じ込めを実現する発光媒体として用いる。
• ポリマー被覆層を用いてペロブスカイトと金属を分離させ、非放射的損失を低減しながらもプラズモニック結合を維持する。
• 局所的な光学状態の密度を制御することで、自発的放出率を向上させ、レーザー閾値を低下させるパルフェル効果を活用する。
• 光励起下での光励起分光法を用いてレーザー作用を測定し、閾値行動およびスペクトル収縮を特定する。
• 約100台のデバイスにわたるプラズモニック試験群とフォトニクスコントロール群の体系的比較により、プラズモニック寄与を分離する。
• キャリア拡散長、自発的放出因子、群速度指数の分析により、効率的レーザー発振を可能にする主要なパrameterを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高い金属的損失があるにもかかわらず、可視光帯域で室温下にサブミクロンプラズモニックナノレーザーを実現できるか？
• RQ2 ペロブスカイトベースのプラズモニックナノ構造で効率的レーザー発振を可能にする材料的・構造的特性は何か？
• RQ3 パルフェル効果および高い群速度指数は、これらのナノスケール系でレーザー閾値を低下させるのにどのように寄与するか？
• RQ4 ペロブスカイト発光媒体を用いた場合、実用的プラズモニックナノレーザーの最小実現サイズはどの程度か？
• RQ5 キャリア拡散長および自発的放出因子は、プラズモニックナノレーザーの性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 観測された最小のプラズモニックナノレーザーは、0.56 × 0.58 × 0.32 μm³のサイズにまで小型化され、同研究で得られた最小フォトニクスレーザーの10分の1であった。
• 室温下での光励起条件下で2.3 eV（539 nm）でレーザー発振が観測され、可視光帯域での動作が確認された。
• パルフェル効果により光学的利得が顕著に向上し、レーザー閾値が低下し、効率が向上した。
• 長いキャリア拡散長と高い自発的放出因子が、効率的な励起状態の生成とレーザー発振に不可欠であることが同定された。
• プラズモニックモードにおける高い群速度指数が、モード閉じ込めおよび光・物質の相互作用強化に寄与した。
• 約100台のデバイスにわたる体系的比較により、プラズモニック構造がフォトニクスコントロールに比べ、閾値強度およびサイズスケーラビリティにおいて優れた性能を示したことが確認された。