Используя новый метод, всего за 5 минут ученые создают перовскитные нанолазеры, объединяющие в себе оптически активную среду и высокодобротный резонатор Фабри-Перо. Простая технология синтеза и уникальные оптические характеристики нанолазеров делают их перспективными источниками когерентного излучения для разработки оптических сенсоров высокой чувствительности, а также для сверхбыстрой передачи информации в фотонных интегральных схемах. Результаты опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Известно, что информацию быстрее всего можно передавать с помощью фотонов. Поэтому для создания быстродействующих оптических чипов нужны миниатюрные источники лазерного излучения. Добротность этого излучения, то есть величина, обратно пропорциональная ширине полосы излучения, должна быть максимальной. А мощность оптического возбуждения, при которой начинается генерация когерентных фотонов, – предельно низкой. Кроме того, нанолазеры должны легко перестраиваться по частоте излучения в широком диапазоне длин волн. Таким образом, использование в оптическом чипе нанолазеров, генерирующих узкополосную люминесценцию на разных длинах волн, позволит задействовать максимальное количество каналов передачи информации в допустимом диапазоне.    

Перспективными кандидатами на роль нанолазеров являются неорганические перовскитные нановискеры. Это нанокристаллы с правильной геометрической формой, длина которых в десятки раз превышает ширину. При оптическом возбуждении нановискеров, в них образуются квазичастицы экситоны. Свыше 90% образовавшихся экситонов способны рекомбинировать с излучением фотона, что и обуславливает высокую оптическую активность среды. Вместе с этим, торцы нановискеров эффективно отражают свет, распространяющийся внутри них на частотах резонансов Фабри-Перо. Это помогает обеспечить положительную обратную связь – необходимое условие для возникновения лазерного излучения.  

Ученые из Университета ИТМО предложили новый метод создания перовскитных нанолазеров. Все начинается с распыления специальных чернил – раствора бромидов свинца и цезия – на гидрофобную подложку. На подложке чернила образуют капли, которые затем обрабатываются парами смеси изопропанол-вода, что приводит к росту нановискеров. Весь процесс занимает всего 5-7 минут. Из-за переноса протона H+ от молекул спирта к молекулам воды молекулы спирта ионизуются и образуют химические связи с ионами свинца на поверхности перовскитных нанокристаллов. За счет этого нанокристаллы растут в определенном направлении.

«Насколько нам известно, наш метод самый простой и быстрый на сегодняшний день. Используя недорогие химические реагенты, мы получаем монокристалличные перовскитные нанолазеры с гладкой поверхностью, их шероховатость составляет менее двух нанометров. Кроме того, у таких нанолазеров высокая добротность лазерных мод и низкий порог лазерной генерации», – рассказывает Анатолий Пушкарев, сотрудник Лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО.

По его словам, одной из особенностей новых нанолазеров является форма их торцов, имеющих вид усеченной четырехугольной пирамиды. Торец с подобной формой эффективно «запирает» свет вблизи основания с меньшим поперечным сечением благодаря отражению внутреннего излучения от граней пирамиды. Это позволяет минимизировать излучательные потери нанолазера и добиться рекордно высоких значений добротности.

В планы лаборатории входит исследовать потенциальные применения полученных нанолазеров, в том числе в области оптического сенсинга.

Статья: A Few-Minute Synthesis of CsPbBr3 Nanolasers with a High Quality Factor by Spraying at Ambient Conditions. A.Pushkarev et al. ACS Appl. Mater. Interfaces. 12th December, 2018.

Анастасия Комарова

Центр научной коммуникации