Nanoláser de plasmones de superficie de perovskita: Longitudes de onda ajustables y rendimiento de bajo umbral

Resumen

Estudiamos sistemáticamente las características de nanoláseres híbridos basados en perovskita de plasmones de superficie. Al cambiar la composición aniónica de perovskitas, la longitud de onda de emisión puede ajustarse fácilmente. Realizamos modelado de espectro completo que incluía nanohilos híbridos de perovskita colocados sobre placas metálicas (Au, Ag, Al) recubiertas de SiO₂. Las nanocavidades propuestas que soportan modos de hueco plasmonico exhibieron propiedades distinguidas de nanoláseres, como ganancia de transparencia de umbral bajo y umbral de láser bajo. Los resultados experimentales correspondientes para el nanoláser MAPbBr₃ sobre Ag revelaron operación de bajo umbral. Estas características superiores se atribuyeron a interacción luz-materia mejorada con acoplamiento fuerte. Por tanto, el esquema propuesto, integrado con perovskita híbrida como material de ganancia, proporciona una excelente plataforma para láser plasmonico nanoscópico en espectros visible a infrarrojo cercano.

Introducción

Las perovskitas haluro de metilamonio MAPbX₃ (MA = CH₃NH₃, X = I, Br, Cl), una clase de semiconductores híbridos orgánico-inorgánicos, exhiben excelentes propiedades ópticas adecuadas para láseres semiconductor debido a sus bajas tasas de recombinación no radiativa y largas vidas de portadores. Además, perovskitas híbridas de haluro mixto pueden lograr ajustabilidad amplia de banda de energía correspondiente a longitudes de onda de emisión cubriendo regiones visible y partes del infrarrojo cercano. Varias perovskitas han demostrado ser materiales de ganancia óptica eficientes, por ejemplo, en forma de películas delgadas, nano-placas y nanocristales. Sin embargo, el alto umbral de láser es una preocupación en el uso de perovskitas en aplicaciones prácticas como láser impulsado eléctricamente o sistemas de integración optoelectrónica. Su alta calidad cristalina (cristal único) puede disminuir pérdida por dispersión y reducir el umbral durante el proceso de bombeo. Recientemente, nanohilos (NWs) de perovskita procesables en solución han sido demostrados exitosamente. Con dos facetas finales como reflectores, los NWs de perovskita forman naturalmente una cavidad óptica miniaturizada. Los beneficios, además de sus notables propiedades eléctricas debido a su fuerte fuerza de oscilación intrínseca de excitón, convierten a los NWs de perovskita en una excelente plataforma para realizar dispositivos miniaturizados como láseres de polaritones excitón-fotón a temperatura ambiente, bajo costo y bajo umbral, en tamaño compacto.

Sin embargo, la huella de modos ópticos asociados con cavidades NW está restringida por el límite de difracción. Los polaritones de plasmones de superficie (SPP) se han usado para minimizar tamaños de características de modos electromagnéticos. Varias cavidades plasmonicas NW han sido investigadas recientemente. Cavidades en esquema metal-aislante-semiconductor son especialmente prometedoras para sostener modos de hueco plasmonico híbridos. Por tanto, colocamos muestras de NWs de perovskita dopados o puros sobre placas metálicas recubiertas de aislante para formar cavidades Fabry-Perot plasmonicas. Los modos resonantes, resultantes de circulación a lo largo de ejes largos de NWs de modos guiados de hueco plasmonico, están altamente confinados por los NWs. El volumen modal efectivo reducido puede impulsar la densidad local de estados de fotones y la fuerza de acoplamiento entre excitones y fotones. Las características del láser del nanoláser propuesto como cavidad robusta para láser se investigaron en este estudio. Por ejemplo, las facetas finales de NWs pueden no ser suficientes para reflejar el modo guiado de hueco plasmonico como espejos, lo que puede aumentar drásticamente la ganancia de umbral de cavidades. Además, intereses de investigación intensiva son las capacidades de metales plasmonicos comunes como oro (Au), plata (Ag), aluminio (Al) o cobre (Cu) para reducir el volumen modal eficientemente sin deterioro del rendimiento láser a lo largo del espectro de longitudes de onda visible a infrarrojo cercano.

En este estudio, analizamos características de nanoláseres basados en perovskita colocados sobre diferentes placas metálicas (Au, Ag, Al) recubiertas de SiO₂ en amplio espectro usando el método de elementos finitos (FEM: paquete COMSOL). Para perovskita pura monocristalina MAPbX₃, las ventanas de ganancia espectral relacionadas con transiciones de banda en la primera zona de Brillouin para X = Cl, Br, I son aproximadamente 2,9 eV, 2,2 eV y 1,5–1,6 eV, respectivamente, con longitudes de onda de emisión correspondientes λ = 425, 555 y 800 nm. Los NWs representados en el recuadro de Fig. 1a ilustrando región activa en nanocavidades propuestas exhiben morfología superficial suave que puede reducir pérdida por dispersión durante láser. Al convertir perovskitas en aquellas dopadas con diferente anión halógeno usando método de reacción de intercambio iónico, podemos expandir el espectro de emisión de perovskitas a región visible casi completa. De todos los metales plasmonicos, Ag exhibe pérdida metálica relativamente baja en región visible, y Al, siendo elemento de bajo costo, recibe considerable atención por sus excelentes propiedades plasmonicas en región azul a ultravioleta. Au se considera comúnmente adecuado para generación de onda plasmonica en región infrarroja. Estos tres metales se seleccionan como medios plasmonicos para mejorar interacción carga-fotón en el sistema.

Primero, investigamos características modales de modos guiados híbridos plasmonicos fundamentales en placas metálicas SiO₂/Ag, SiO₂/Al y SiO₂/Au usando FEM bidimensional (2D). Modos de hueco plasmonico híbridos originan del acoplamiento entre modos fotónicos y de plasmon de superficie en interfaz aislante-metal. Fuerzas de acoplamiento fuertes pueden resultar en pérdida intrínseca de material severa debido a gran superposición de modos con metal, lo que depende considerablemente del espesor de hueco t_g. Resolvimos accordingly la pérdida modal, perfiles modales, factores de confinamiento y ganancias de transparencia de umbral de modos de hueco plasmonico híbridos a varios espesores de hueco t_g, como se indica en Fig. 1b. El ancho de NWs se fijó a 100 nm en longitud de cavidad L de 2,67 μm, comparable con NWs obtenidos por método de autoensamblaje. Posteriormente, los cálculos de modos resonantes en nanocavidades se implementaron con FEM tridimensional (3D). Cálculos empíricos han probado que Ag es el mejor metal para nanoláser MAPbBr₃.

Por tanto, desarrollamos un nanoláser MAPbBr₃ de bajo umbral sobre sustrato de plata cubierto de SiO₂ mediante bombeo óptico. El nanoláser propuesto exhibió huella modal extremadamente pequeña, bajo umbral de láser y longitudes de onda de emisión ajustables, utilizables en aplicaciones como fuentes de luz de próxima generación en el futuro.

Método

Preparación de cavidades de nanohilo de perovskita

Dado que Ag exhibió las mejores características plasmonicas en operaciones de nanoláser, usamos NWs MAPbBr₃ en placa Ag con capa espaciadora de SiO₂ de 10 nm para investigar rendimiento de nanoláser. La placa Ag se preparó usando evaporador e-gun sobre sustrato Si; parámetros de crecimiento y recocido se optimizaron para rugosidad superficial plana seguida de deposición de capa SiO₂. La síntesis de NW MAPbBr₃ se basó en método de autoensamblaje en solución de un paso. Primero, 0,15 mmol MABr y 0,15 mmol PbBr₂ en polvo se disolvieron en 5 ml N,N-dimetilformamida, funcionando como solución precursora. La solución precursora se depositó luego por gota sobre placas Ag cubiertas de SiO₂. Segundo, el sustrato soportando placas Ag se colocó en una plataforma en un matraz conteniendo diclorometano. El sustrato estaba aproximadamente 3 cm sobre la superficie líquida de diclorometano. Finalmente, el matraz cubierto por una capa de papel aluminio se colocó en incubadora a 60 °C. En 4 h, el proceso de evaporación de líquidos en el matraz se completó y se obtuvieron NWs MAPbBr₃ sobre placas Ag cubiertas de SiO₂. Luego montamos las nanocavidades NW, con configuraciones mostradas en Fig. 1a, en cámara de alto vacío a 77 K.

Caracterización de acción láser

Para investigar acción láser de una sola cavidad NW, usamos microscopio electrónico de barrido para buscar NWs MAPbBr₃ con ancho aproximadamente 100 nm y longitud cercana a 3 μm. Tras identificar ubicación de esos NWs, las muestras se colocaron en cámara criogénica para bombeo óptico. Una generación de tercer armónico de láser pulsado Nd:YVO₄ emitido a 355 nm se usó como fuente de bombeo, y duración de pulso y tasa de repetición fueron 0,5 ns y 1 kHz, respectivamente. Un objetivo corregido al infinito cercano al ultravioleta ×100 con apertura numérica 0,5 (Mitutoyo) se aplicó para enfocar haz láser al NW MAPbBr₃ con tamaño de foco aproximadamente 15 μm de diámetro. Solo un NW se bombeó a la vez. Luego, la señal de emisión de NW MAPbBr₃ se recogió usando el mismo objetivo. Una fibra óptica con diámetro de núcleo 600 μm se acopló al objetivo. Para recoger emisión de salida de espejos finales de NWs a varias frecuencias, un dispositivo de carga acoplada refrigerado con nitrógeno se acopló a monocromador simple de 320 mm (iHR320, Horiba) en el otro extremo de la fibra.

Resultados y Discusión

La nanocavidad propuesta exhibe bajo umbral y fuerte confinamiento modal, representado en Fig. 1a. Determinamos modos resonantes para investigar características de la cavidad. Los perfiles modales de la nanocavidad con NW de perovskita en placa SiO₂/Ag se presentan en Fig. 1. Probamos que las vistas transversales del perfil de modo resonante |E| (b) en un antinodo del perfil a lo largo del eje z (plano x-y), (c) en el medio de hueco delgado (debajo del NW) (plano x-z), y (d) bisecando el NW (plano y-z), respectivamente. Como se representa en Fig. 1b, el perfil del modo de cavidad está fuertemente confinado con características de modo guiado híbrido de hueco. El patrón de resonancia ilustrado en Fig. 1d revela características tanto de modos fotónicos con fugas NW (ancho por debajo de dimensión de corte) como ondas de plasmon de superficie propagantes. Además de un patrón de onda estacionaria obvio a lo largo del eje largo (dirección z) representado en Fig. 1c, la distribución lateral del modo (a lo largo de dirección x) definida por el pequeño NW de ancho nanoscópico también está suficientemente confinada, lo que concuerda con características de modo plasmonico.

Características de guías de onda híbridas plasmonicas de perovskita

Para investigar características de láser plasmonico en región visible a infrarrojo cercano, se examinaron la función dieléctrica de la versión híbrida de MAPbCl₃ dopado con Br (MAPb(Br_xCl_1-x)₃) y MAPbBr₃ dopado con I (MAPb(I_yBr_1-y)₃). En perovskita monocristalina MAPbX₃, configuraciones electrónicas complejas originan de hibridación de grupo orgánico, catión plomo y estados aniónicos halógenos causando múltiples transiciones electrónicas. En red de MAPbX₃ dopado, dopantes y vacancias, introducidos durante reacción de intercambio iónico, pueden reducir calidad cristalina y difuminar estados electrónicos discretos. Por tanto, en lugar de realizar cálculos rigurosos de primeros principios de banda para revelar cada pico de absorción distinto en relación de dispersión de función dieléctrica, denotamos que función dieléctrica ε como función simple de banda de energía de emisión (E_g) de perovskitas mixtas (MAPb(Br_xCl_1-x)₃) con varias composiciones de dopaje (x). La regla de Moss, ε(x) = a + b√E_g(x), se adopta por tanto. La función dieléctrica ε está relacionada con banda de energía de emisión E_g de perovskitas mixtas con composición de dopaje x. En la fórmula, la función dieléctrica ε(x) de perovskitas puras MAPbCl₃ (x = 0) y MAPbBr₃ (x = 1) en sus longitudes de onda de emisión correspondientes 425 y 555 nm se usó para determinar constantes de ajuste a y b. La banda de energía de perovskitas puras se dedujo de longitudes de onda de emisión. Luego obtuvimos banda de energía de perovskita mixta de la relación E_g^{MAPb(Br_xCl_1-x)₃}(x) = (1-x)E_g^MAPbCl₃ + xE_g^MAPbBr₃. Como se muestra en Fig. 2, el índice de refracción complejo (n, k) de MAPb(Br_xCl_1-x)₃ se deriva de la función dieléctrica, n(x) + ik(x) = √ε(x), en cada composición de dopaje x. Con aumento en contenido de Br, MAPb(Br_xCl_1-x)₃ dopado exhibe banda de energía desplazada al rojo y emite a longitudes de onda mayores. El mismo procedimiento se aplicó en derivar (n, k) de MAPb(I_yBr_1-y)₃ con composición de dopaje I y, como se representa en sección derecha de Fig. 2. La mezcla de MAPbBr₃ (y = 0) y MAPbI₃ (y = 1), MAPb(I_yBr_1-y)₃ emite a longitudes de onda largas de 555 a 800 nm. Los índices de refracción de perovskitas dopadas se representan en Fig. 2 y se usan en cálculos siguientes. Los índices de refracción de perovskitas puras MAPbCl₃, MAPbBr₃ y MAPbI₃ en composiciones x = 0, x = 1 (y = 0) y y = 1 son (2,2, 0,013), (2,30, 0,01) y (2,49, 0,0009). Emite a longitudes de onda λ = 425, 555 y 800 nm, respectivamente.

Luego, estudiamos características de modos de hueco plasmonico fundamentales, formados por acoplamiento entre modos fotónicos guiados con fugas (por debajo de frecuencia de corte) de NWs de perovskita y ondas de superficie concentradas principalmente en interfaz de hueco y metal. Como se ilustra en Fig. 3, determinamos pérdida modal y factor de confinamiento de modos guiados híbridos plasmonicos para la guía de onda—un NW de perovskita mixta, MAPb(Br_xCl_1-x)₃ y MAPb(I_yBr_1-y)₃ de composición de dopaje x e y de 0 a 1 en placa SiO₂/Ag, SiO₂/Al o SiO₂/Au de espesor de hueco t_g en sus longitudes de onda de emisión correspondientes. Determinamos modos guiados correspondientes a amplio rango de longitudes de onda de emisión, de 425 a 555 nm para perovskita MAPb(Br_xCl_1-x)₃ y de 555 a 800 nm para MAPb(I_yBr_1-y)₃. En estos cálculos, los índices de refracción complejos de perovskitas dopadas fueron (n, k) como representados en Fig. 2. Los índices de refracción dispersivos de capas metálicas, Al, Ag y Au, se adoptaron de datos experimentales previos.

Respecto a perovskitas emitiendo en longitudes de onda 425 a 555 nm, la guía de onda (WG) plasmonica con NW en placa Al exhibió pérdida modal relativamente menor (respecto a placa Ag) cerca de longitudes de onda cortas como se representa en Fig. 3a. Así, pequeñas pérdidas metálicas observadas en modo híbrido en WGs en placas Al no se observaron en placas Ag. Una razón fue que frecuencia de plasmon de superficie de perovskita/SiO₂/Ag estaba en proximidad de λ = 425 nm y la de perovskita/SiO₂/Al en proximidad de longitudes de onda cortas. El confinamiento de onda plasmonica cerca de frecuencia de plasmon era extremadamente fuerte debido a resonancia de oscilación de carga. Por tanto, absorción de energía electromagnética cercana era alta. De otro modo, para WG con perovskita MAPb(Br_xCl_1-x)₃ con x cercano a 1 (emitiendo en longitudes de onda largas de colores verdes) en placas Al, pérdida modal puede ser mayor que en placas Ag. Adicionalmente determinamos factor de confinamiento de modos guiados plasmonicos de hueco en espesor de hueco fijo (t_g = 0, 15 y 30 nm). El fuerte confinamiento de perfil modal dentro del hueco delgado indicó fuerte superposición con metal, causando severa pérdida óhmica. Esto se controló aumentando espesor de hueco. Los factores de confinamiento de WGs de perovskita en placas Ag fueron relativamente mayores que otros WGs en placas Al. Esto sugirió fuerte confinamiento de modos WG plasmonicos cerca del medio de ganancia en placas Ag y pequeña superposición con alrededores.

La superposición limitada de modos guiados con metal conduce a menor pérdida modal como se discutió previamente, porque pérdida metálica es únicamente responsable de pérdida modal en este esquema. Podemos observar que, como se representa en Fig. 3b, cuando frecuencia de plasmon de Ag se acerca (alrededor de longitudes de onda cortas), los factores de confinamiento se vuelven más fuertes en WG en placas Al. Para revelar confinamiento de modos de hueco plasmonico, calculamos perfiles modales |E| de un NW WG MAPb(Br_xCl_1-x)₃ en placa Ag como representado en recuadros de Fig. 3b en longitudes de onda 425 (x = 0) y 500 nm (x = 0,58) en t_g fijo de 5 nm. Para WG en longitudes de onda más cortas, o alrededor de espesor mínimo t_g = 0 nm, acoplamiento entre modo fotónico de nanohilo y modo plasmonico de superficie eran más fuertes, conduciendo a modo plasmonico altamente confinado (como representado en gráficos con círculo amarillo). Sin embargo, en longitudes de onda de emisión más largas de perovskita con mayor composición de dopaje, las fuerzas de acoplamiento se vuelven más débiles. Los modos de hueco plasmonico revelaron menos intensidad dentro del hueco, y cantidad considerable de energía se dispersa alrededor del medio circundante (como indicado por imagen con círculo rojo). La superposición limitada de modos guiados con metal condujo a menor pérdida modal. La tendencia de curva de pérdida modal declinó con aumento de espesor de hueco. En longitudes de onda más largas, similar a WG con huecos más gruesos, menor fuerza de acoplamiento resulta en menor fuerza de confinamiento.

En WGs con perovskitas híbridas emitiendo en longitudes de onda 555 a 800 nm, el esquema con NW MAPb(Br_xCl_1-x)₃, la placa Au puede no ser su medio plasmonico adecuado, como se infiere por gran pérdida modal (respecto a placas Ag y Al) como se representa en Fig. 3c. La placa Au exhibió pico de absorción plasmonica aproximadamente en 520 nm. Por tanto, pérdida intrínseca de metal aumenta al acercarse a longitudes de onda plasmonicas. Sin embargo, estabilidad química superior hace Au candidato preferido para explorar propiedades plasmonicas en dispositivos fotónicos, especialmente en longitudes de onda rojo y naranja. La parte imaginaria del índice de refracción de Ag era menor que la de Al en esta región de longitud de onda. Aproximadamente en longitudes de onda 550 nm, pérdida metálica dominó la pérdida modal. Independientemente de si hueco era delgado o grueso, la pérdida modal correspondiente de Al fue mayor que en Ag como se representa en Fig. 3c. Figura 3d representó que factores de confinamiento de tres WGs con huecos más gruesos son similares en longitudes de onda más largas. La tendencia de curvas de factor de confinamiento y características de perfiles modales ilustrados en Fig. 3d se ven afectados por fuerzas de acoplamiento; de manera similar a la discusión anterior de Fig. 3b. Para investigar modos resonantes en cavidades basadas en estos modos fundamentales de hueco plasmonico, que son los más probables de laser, determinamos ganancias de transparencia de umbral en cada caso, como se presenta en Fig. 4.

Rendimiento de umbral de nanoláser híbrido plasmonico de perovskita

Evaluamos ganancias de transparencia de umbral usando factor de confinamiento y pérdida modal de cada WG para comparar propiedades de resonancia en nanocavidades de varios metales y espesores de hueco. La transparencia de umbral se define como ratio de pérdida modal sobre factor de confinamiento. Como se representa en Fig. 4a, Ag exhibe factores de confinamiento y transparencias de umbral superiores para cada WG de perovskita MAPb(Br_xCl_1-x)₃ en su longitud de onda de emisión correspondiente. El espesor óptimo de cavidades con menor umbral debería ser el caso mínimo de t_g = 0. Por ejemplo, en t_g mínimo = 0, las ganancias de transparencia de umbral de modos plasmonicos en placas Ag fueron 18470,5 y 6259,1 denotadas por estrellas negras en Fig. 4a en λ = 425 nm y Fig. 4b en λ = 555 nm, respectivamente. Estos valores fueron ligeramente menores que en otros espesores de hueco. El modo plasmonico híbrido formado por acoplamiento directo al modo de plasmon de superficie exhibe campos ultimadamente confinados. Sin embargo, el perfil modal adecuado para que reflectores finales reflejen completamente a menudo no es el perfil extremadamente confinado. Además, capa de oxidación se forma comúnmente durante proceso de deposición, pero capa de oxidación puede formarse inexorablemente con el tiempo. Respecto a capa de oxidación de espesor limitado en placa Ag, el umbral fue relativamente bajo cuando espesor fue aproximadamente 5 a 7 nm. En longitudes de onda cercanas a 425 nm, la ganancia de transparencia de umbral de WG de perovskita en Al fue ligeramente menor que en Ag, como resultados de menor pérdida de material y superposición sustancial con región de pérdida. De las discusiones de pérdida modal y factores de confinamiento y resultados ilustrados en Fig. 3, no es difícil anticipar menores umbrales de cavidades en placas Ag con perovskitas dopadas emitiendo en longitudes de onda largas de colores naranja y rojo o espectros infrarrojos, como se representa en Fig. 4b. El umbral fue considerablemente alto en cavidades en Au debido a absorción de material relativamente grande. Aunque Al es de bajo costo y exhibe tendencia limitada a formar capa de oxidación medible, aún puede funcionar como excelente medio plasmonico en estos esquemas con perovskitas dopadas porque corresponde a transparencias de umbral tolerables y es menos sensible a espesor de hueco y composición de dopaje, como se representa en Fig. 4a, b. Por tanto, Ag es la mejor elección como medio plasmonico para investigar proceso de láser perovskita-relacionado con metal aunque sea necesario recubrirlo con capa de oxidación. Una capa dieléctrica de bajo índice (capa de oxidación) de aproximadamente 5 a 10 nm de espesor puede sostener modos guiados de hueco plasmonico; esta capa de hueco puede resultar en reflexión adecuada en facetas finales para reducir pérdida de espejo no deseada.

Tras determinar distribución espacial de perfiles modales como se muestra en Fig. 1b–d, estimamos factor de calidad, Q usando Re[f_r]/2 Im[f_r], donde f_r es la auto-frecuencia compleja del modo resonante obtenida usando FEM 3D. Comparamos estos valores estimados del factor Q de modos resonantes en cavidades obtenidas usando tres perovskitas (MAPbX₃; X: Cl, Br, I) en placas Ag y Al recubiertas de SiO₂ en espesor de hueco fijo t_g de 7 nm. Para comparación justa, longitud de cavidad L se fijó a cuatro longitudes de onda efectivas (4λ/Re[n_eff]) en λ correspondiente, donde Re[n_eff] es índice modal efectivo de modos guiados en cada caso. Concluimos que debido a gran pérdida intrínseca de material de Al en espectro visible, los factores Q de cavidades en placas Al no fueron comparables a placas Ag. El factor Q fue ciertamente mayor en cavidad en longitud de onda λ cercana a 425 nm. Sin embargo, fue menos capaz de confinar modo híbrido plasmonico dentro de región de ganancia cerca de huecos delgados, como indicado por factor de confinamiento. Por tanto, comparación de factores Q también sugirió que Ag es preferido en esquema plasmonico con perovskita en espectro visible. Por tanto, pérdida por dispersión de facetas finales puede no ser factor dominante que degrada rendimiento de cavidades. Como indicado por menores ganancias de transparencia de umbral como se representa en Fig. 4b, los modos resonantes en placa Ag cercanos a 800 nm potencialmente revelaron valor relativamente alto de factor Q, indicando potencial en aplicaciones futuras relacionadas con acoplamiento excitón-fotón mejorado por plasmon y biosensores.

Fotoluminiscencia dependiente de potencia se midió para resolver espectros de emisión y registrar potencia láser en varias entradas de bombeo, como se muestra en Fig. 5. Los espectros de emisión de cavidad con NW MAPbBr₃ en placa Ag cubierta de SiO₂ se presentan en Fig. 5a. Picos de emisión en espectro se ajustaron para obtener curva luz-luz (L-L) de nanoláser MAPbBr₃. En espectros de emisión, potencia de salida aumenta dramáticamente en potencia de bombeo mayor que umbral (aproximadamente 1,62 μW potencia promedio); cambio agudo también se observó en curvas L-L correspondientes como se muestra en Fig. 5b. Una vez que potencia de bombeo es mayor que umbral de láser, ancho de línea de emisión de pico único de salida láser disminuye de 7,6 nm a aproximadamente 0,5 nm. Señales de salida se recogieron de facetas finales de NWs. La potencia de umbral es un orden de magnitud menor que las de nanoláser NW ZnO en placa Ag. Posibles razones podrían ser ganancia de material superior proporcionada por MAPbBr₃ que ZnO y menor pérdida interna a 550 nm que a 370 nm. Adicionalmente, láseres plasmonicos NW de perovskita revelan varios umbrales a diferentes temperaturas. Para operar bajo potencias de bombeo fuertes a temperatura ambiente manteniendo rendimiento de dispositivos sin ablación severa de material y degradación térmica, estabilidad térmica y calidad cristalina de NW de perovskita podrían ser parámetros clave a mejorar. Características deseables como bajo umbral y ancho de línea estrecho extienden aplicaciones potenciales en futuros dispositivos fotónicos activos miniaturizados.

Conclusiones

Se realizó análisis de espectro completo de parámetros láser incluyendo características de modo guiado, ganancias de transparencia de umbral y factor de calidad estimado de nanoláseres basados en perovskita que incluían nanohilos de perovskita dopados colocados en tres tipos de placas metálicas (Ag, Al, Au) recubiertas de SiO₂. Los resultados calculados usando FEM revelaron que Ag puede ser elección adecuada como metal plasmonico para aplicación optoelectrónica basada en perovskita MAPbX₃. La nanocavidad propuesta—un nanohilo MAPbBr₃ en placa SiO₂/Ag, exhibió bajo umbral de láser y ancho de línea estrecho correspondiente a huella de salida nanoscópica. Estas ventajas pueden resultar en fuerte acoplamiento de excitón-polaritón-fotones. Con las características de carga superiores poseídas por perovskitas, este esquema es candidato apropiado para desarrollar fuentes de luz de próxima generación.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos que apoyan las conclusiones de este artículo están incluidos dentro del artículo.

Abreviaturas

2D:

Bidimensional

3D:

Tridimensional

FEM:

Método de elementos finitos

L-L:

Luz-luz

NUV:

Ultravioleta cercano

NW:

Nanohilo

SPP:

Polaritones de plasmones de superficie

WG:

Guía de onda