[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究展示了基于沉积在聚合物涂层金基底上的卤化铯铅溴钙钛矿（CsPbBr3）晶体的室温、亚微米单颗粒等离子体纳米激光器。通过利用普尔塞效应、长载流子扩散长度、高自发辐射因子以及高群速度指数，作者实现了在2.3 eV波段的激光输出，器件最小尺寸为0.56 × 0.58 × 0.32 μm³——比其最小的光子激光器小十倍，标志着三维纳米尺度激光器微型化的关键进展。

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.

研究动机与目标

• 在可见光波段实现室温、亚微米等离子体纳米激光器，此前金属损耗曾阻碍此类操作。
• 通过利用具有高光学增益和有利载流子动力学的钙钛矿材料，克服等离子体激光器中高金属损耗的问题。
• 通过单颗粒钙钛矿纳米晶体实现等离子体激光器在三维方向上低于衍射极限的微型化。
• 系统比较等离子体与光子激光器结构，以分离等离子体增强对激光效率的贡献。

提出的方法

• 在聚合物涂层金基底上制备亚微米CsPbBr3钙钛矿纳米晶体作为增益介质，以实现等离子体模式约束。
• 使用聚合物钝化层将钙钛矿与金属分离，降低非辐射损耗，同时保持等离子体耦合。
• 利用普尔塞效应增强自发辐射速率，并通过局部态密度调制降低激光阈值。
• 通过光学泵浦下的光致发光光谱测量验证激光行为，识别阈值特性与光谱展宽。
• 在约100个器件中系统比较等离子体测试组与光子对照组，以分离等离子体贡献。
• 分析载流子扩散长度、自发辐射因子和群速度指数，以识别实现高效激光的关键参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在高金属损耗，是否可在室温下实现可见光波段的亚微米等离子体纳米激光器？
• RQ2 哪些材料与结构特性使钙钛矿基等离子体纳米结构实现高效激光？
• RQ3 普尔塞效应与高群速度指数如何降低这些纳米尺度系统中的激光阈值？
• RQ4 使用钙钛矿增益介质的可实现功能等离子体纳米激光器的最小尺寸是多少？
• RQ5 载流子扩散长度与自发辐射因子如何影响等离子体纳米激光器的性能？

主要发现

• 观测到的最小等离子体纳米激光器尺寸为0.56 × 0.58 × 0.32 μm³，比研究中最小的光子激光器小十倍。
• 在室温下通过光学泵浦在2.3 eV（539 nm）处观察到激光行为，证实其在可见光波段的运行。
• 普尔塞效应显著增强了光学增益，降低了激光阈值并提高了效率。
• 长载流子扩散长度与高自发辐射因子被确定为实现高效粒子布居反转与激光的关键因素。
• 等离子体模式中较高的群速度指数有助于模式约束并增强光与物质的相互作用。
• 在约100个器件中的系统比较证实，等离子体结构在阈值强度与尺寸可扩展性方面优于光子对照组。