[논문 리뷰] Sub-micron single-particle perovskite plasmonic nanolasers at room temperature

Sangyeon Cho, Yi Yang외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 17.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 폴리머 코팅된 금 기반 상에 증착된 세슘 플라우로르화수소산염 페로브스카이트(CsPbBr3) 결정을 이용해 실온에서 1 제곱미크론 이하의 단일 입자 플라스모닉 나노레이저를 구현한다. 풀리 효과, 장거리 실체 이동성, 높은 자발적 방출 인자 및 높은 군속도를 활용하여, 2.3 eV에서 레이저 작동을 달성하였으며, 최소 장치 크기는 0.56 × 0.58 × 0.32 μm³로, 이는 이 연구에서 가장 작은 광학 레이저보다 10배 작다. 이는 3차원 나노스케일 레이저의 소형화 분야에서 중요한 진전이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 금속 손실이 이전에 이러한 작동을 방해했음에도 불구하고, 가시광선 영역에서 실온에서 1 제곱미크론 이하의 플라스모닉 나노레이저를 달성하고자 한다.
• 높은 광학 이득과 유리한 실체 운동 특성을 지닌 페로브스카이트 재료를 활용하여 플라스모닉 레이저의 높은 금속 손실 문제를 극복하고자 한다.
• 단일 입자 페로브스카이트 나노결정을 이용해 플라스모닉 레이저의 3차원 소형화를 초과한 분해능 이론을 실현하고자 한다.
• 플라스모닉 및 광학 레이저 구성 요소를 체계적으로 비교하여 플라스모닉 강화가 레이저 효율성에 미치는 영향을 분리하고자 한다.

제안 방법

• 플라스모닉 모드의 고립을 가능하게 하기 위해, 폴리머 코팅된 금 기반 상에 1 제곱미크론 이하의 CsPbBr3 페로브스카이트 나노결정을 증착하여 발진 매체로 활용한다.
• 페로브스카이트를 금속에서 분리하기 위해 폴리머 캡핑 층을 사용하여 비방출 손실을 감소시키면서도 플라스모닉 결합을 유지한다.
• 지역 광학 상태 밀도 조절을 통해 자발적 방출 속도를 향상시키고 레이저 임계값을 낮추기 위해 풀리 효과를 활용한다.
• 광학 펌프 조건 하에서 광발광 스펙트로스코피 측정을 통해 레이저 작동 여부를 확인하고, 임계 행동과 스펙트럼 수축을 식별한다.
• ~100개의 장치를 대상으로 플라스모닉 테스트 그룹과 광학 제어 그룹을 체계적으로 비교하여 플라스모닉 기여를 분리한다.
• 실체 이동성, 자발적 방출 인자 및 군속도 분석을 통해 효율적인 레이저 작동에 기여하는 핵심 매개변수를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 높은 금속 손실에도 불구하고 실온에서 가시광선 영역에서 1 제곱미크론 이하의 플라스모닉 나노레이저를 달성할 수 있는가?
• RQ2 페로브스카이트 기반 플라스모닉 나노구조에서 효율적인 레이저 작동을 가능하게 하는 재료 및 구조적 특성은 무엇인가?
• RQ3 풀리 효과와 높은 군속도는 이러한 나노스케일 시스템에서 레이저 임계값을 낮추는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ4 페로브스카이트 발진 매체를 사용할 경우 기능적인 플라스모닉 나노레이저의 최소 크기는 얼마인가?
• RQ5 실체 이동성과 자발적 방출 인자는 플라스모닉 나노레이저 성능에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 관측된 가장 작은 플라스모닉 나노레이저의 크기는 0.56 × 0.58 × 0.32 μm³로, 연구에서 가장 작은 광학 레이저보다 10배 작다.
• 실온에서 광학 펌프 조건 하에서 2.3 eV(539 nm)에서 레이저 작동이 관측되어 가시광선 영역에서의 작동을 확인하였다.
• 풀리 효과는 광학 이득을 크게 향상시켜 레이저 임계값을 낮추고 효율을 향상시켰다.
• 장거리 실체 이동성과 높은 자발적 방출 인자는 효율적인 인version 및 레이저 작동에 핵심적인 역할을 한다고 규명되었다.
• 플라스모닉 모드에서의 높은 군속도는 모드 고립과 강화된 빛-물질 상호작용에 기여하였다.
• ~100개의 장치를 대상으로 한 체계적 비교를 통해 플라스모닉 구조가 광학 제어 대비 레이저 임계 강도와 크기 확장성 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.