Получаемые из раствора полупроводники включают органические материалы, квантовые точки и галогенидные перовскиты. Они представляют собой недорогую альтернативу сложным эпитаксиально выращенным кристаллам, которые синтезируют слой за слоем на поверхности твёрдой подложки. Однако создание электрически управляемых лазерных диодов на основе полупроводников из раствора долгое время оставалось чрезвычайно сложной задачей. При высокой плотности тока традиционные архитектуры светодиодов подвержены перегреву, который приводит к деградации материала.
Чтобы устранить это препятствие, научная группа Сколтеха воспользовалась уникальной физикой экситон-поляритонов — гибридных квазичастиц, возникающих при сильной связи между светом (фотонами) и связанными электрон-дырочными парами (экситонами) внутри оптического микрорезонатора. Благодаря своей бозонной природе поляритоны способны коллапсировать в единое макроскопическое квантовое состояние — бозе-эйнштейновский конденсат — и излучать когерентный лазерный свет при значительно более низких энергиях и плотностях заряда, чем в обычных полупроводниковых лазерах.
Исследователи интегрировали выращенный из раствора перовскитный пластинчатый микрокристалл с тонкоплёночными электродами из однослойных углеродных нанотрубок внутри высокодобротного оптического микрорезонатора. Применив специальный двухэтапный протокол криоохлаждения, команда добилась контролируемого пространственного перераспределения подвижных ионов, сформировав стабильный, «замороженный» PIN-диод.
Этот «замороженный» PIN-диод обеспечил эффективную инжекцию носителей заряда без разрушения кристаллической решётки перовскита. Под непрерывным постоянным электрическим током устройство продемонстрировало поляритонную генерацию при низком пороговом токе в 60 микроампер.
«Достижение лазерной генерации при прямой электрической накачке в материалах, полученных из раствора, было одной из ключевых целей полупроводниковой оптоэлектроники на протяжении 60 лет, — говорит ведущий автор исследования, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Анатолий Пушкарёв. — Сочетая химически инертные электроды из углеродных нанотрубок с подвижными галогенидными вакансиями в решётке перовскита, мы нашли рабочий способ предотвратить нежелательные реакции на границе между перовскитом и электродом и преодолеть омический нагрев. Инжекция носителей заряда в нашем устройстве создаёт сильно локализованный центр электролюминесценции в месте физического дефекта, который мы формируем вблизи конца пучка углеродных нанотрубок».
«Этот физический дефект создаёт притягивающий потенциал для свободных экситон-поляритонов и „захватывает“ их, — добавляет соавтор статьи, старший научный сотрудник Степан Барышев из Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха. — Мы отчётливо пронаблюдали три характерных признака конденсации захваченных экситон-поляритонов, а именно: нелинейный рост интенсивности излучения, сужение спектральной линии и синий сдвиг лазерного излучения при превышении порогового тока».
