[논문 리뷰] Strong Exciton-Photon Coupling and lasing behavior in All-Inorganic CsPbBr3 Micro/nanowire Fabry-Perot cavity

Wenna Du, Shuai Zhang외 11명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 14.

Strong Light-Matter Interactions인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 모든 무기성 CsPbBr3 마이크로/나노와이어 파이브-페로트 공진기에서 강한 엑시톤-광자 결합과 저임계량 폴라리톤 레이저를 입증한다. 화학기상증착법으로 얻은 나노와이어를 사용하여 연구진은 모드 체적에 의존하는 결합 강도와 향상된 군속도를 달성하였으며, 스펙트럼 및 출력 강도 분석을 통해 폴라리톤 레이저를 확인하였고, 상당히 감소된 레이저 임계량을 확보하였다.

ABSTRACT

Macroscopic spontaneous coherence of exciton-polariton in semiconductor cavity is one important research field in condensed matter physics. All-inorganic micro/nanowire Fabry-Pérot cavity with excellent optical performance makes it possible to realize strong coupling and lasing of exciton-photon at room temperature. In this work, we demonstrated strong coupling of exciton-photon and polariton lasing in CsPbBr3 micro/nanowires synthesized by CVD method. By exploring spatial resolved PL spectra of CsPbBr3 cavity, we observed mode volume dependent coupling strength , as well as significant increase in group index. Moreover, low threshold polariton lasing was achieved at room temperature within strong coupling regime; the polariton characteristic is confirmed by comparing lasing spectra with waveguided output spectra and the dramatically reduced lasing threshold. Our present results provide new avenues to achieve high coupling strengths potentially enabling application of exciting phenomena such as Bose-Einstein condensation of polaritons, efficient light-emitting diodes and lasers.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 모든 무기 퍼보스카이트 마이크로/나노와이어 공진기에서 강한 엑시톤-광자 결합을 달성하기 위해.
• CsPbBr3 파이브-페로트 공진기에서 모드 체적이 결합 강도에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 향상된 군속도와 파장 유도 효과를 활용하여 저임계량 폴라리톤 레이저를 구현하기 위해.
• 레이저 스펙트럼과 파장 유도 출력 스펙트럼을 비교하여 폴라리톤 특성을 확인하기 위해.
• CsPbBr3 나노와이어가 폴라리톤 레이저 및 엑시톤-폴라리톤의 보스-아인슈타인 응축에 응용될 잠재성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 높은 품질의 CsPbBr3 마이크로/나노와이어를 화학기상증착(CVD) 방법을 사용하여 합성하여 우수한 광학 품질을 확보하였다.
• 광선을 구속하고 광자-엑시톤 상호작용을 강화하기 위해 나노와이어 양단에 분산 브라거 반사판을 형성하여 파이브-페로트 공진기를 제작하였다.
• 결합 강도를 매핑하고 모드 체적 의존성을 관찰하기 위해 공간적으로 분해능이 높은 광발광(PL) 분광법을 수행하였다.
• 강한 결합의 징후로 군속도 향상을 측정하여 광물 상호작용이 상당히 강하다는 것을 확인하였다.
• 폴라리톤 레이저 거동과 임계량 감소를 확인하기 위해 레이저 스펙트럼과 파장 유도 출력 스펙트럼을 비교하였다.
• 스펙트럼의 변화 양상과 강도 프로파일을 분석하여 일반 광자 레이저와 폴라리톤 레이저 메커니즘을 구별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 모든 무기성 CsPbBr3 마이크로/나노와이어 공진기에서 강한 엑시톤-광자 결합을 달성할 수 있는가?
• RQ2 이 퍼보스카이트 기반 공진기에서 모드 체적이 결합 강도에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 군속도 향상은 강한 결합 상태를 확인하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 환경 조건에서 CsPbBr3 나노와이어에서 저임계량 폴라리톤 레이저를 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ5 폴라리톤 레이저와 일반 광자 레이저 간의 레이저 스펙트럼과 파장 유도 출력 스펙트럼은 어느 정도 다를까?

주요 결과

• 실온에서 CsPbBr3 마이크로/나노와이어 파이브-페로트 공진기에서 강한 엑시톤-광자 결합이 실험적으로 확인되었다.
• 결합 강도는 명백한 모드 체적 의존성을 보였으며, 이는 공진기 시스템 내에서 조절 가능한 광물 상호작용을 의미한다.
• 군속도가 상당히 증가한 것이 관측되어 강한 결합 상태의 핵심 지표로 기능하였다.
• 실온에서 저임계량 폴라리톤 레이저가 달성되었으며, 기존 광자 레이저에 비해 상당히 감소된 레이저 임계량을 확보하였다.
• 레이저 스펙트럼과 파장 유도 출력 스펙트럼 간의 스펙트럼 비교를 통해 레이저 모드의 폴라리톤 성격을 확인하였다.
• 결과는 모든 무기 퍼보스카이트 나노와이어가 향후 폴라리톤 기반 광전자 소자 및 보스-아인슈타인 응축과 같은 양자 현상에 응용 가능하다는 가능성을 입증한다.