Attingere alle proprietà quantistiche dei fotoni per l'optoelettronica richiede sorgenti luminose altamente efficienti. I nanocristalli di perovskite di trialogenuro di piombo mostrano una serie di proprietà che li rendono candidati promettenti come sorgenti luminose. Sebbene l'accoppiamento di emettitori quantistici con cavità nanofotoniche possa aumentare significativamente l'efficienza, questo approccio non è stato esplorato con questi nanocristalli.

Ora, un gruppo di ricercatori dell'Università del Maryland e dell'ETH di Zurigo ha dimostrato un approccio semplice per accoppiare nanocristalli di perovskite di tribromuro di cesio e piombo (CsPbBr3) sintetizzati in soluzione a cavità fotoniche di nitruro di silicio (SiN). L'emissione di luce a temperatura ambiente risultante è aumentata di un ordine di grandezza superiore a quella che le perovskiti possono emettere da sole. Il dottorando Zhili Yang e altri riportano i loro risultati questa settimana in Lettere di fisica applicata .

"Il nostro lavoro mostra che è possibile aumentare l'emissione spontanea di nanocristalli di perovskite colloidale utilizzando una cavità fotonica, " Yang ha detto. "I nostri risultati forniscono un percorso verso sorgenti di luce compatte on-chip con ridotti consumi energetici e dimensioni".

Per accoppiare i nanocristalli alla cavità fotonica, il gruppo ha fatto cadere nanocristalli di perovskite in soluzione di toluene sulla cavità di SiN. Hanno quindi eccitato il dispositivo con un laser a impulsi, che porta all'emissione di fotoni dai nanocristalli.

L'uso di soluzioni per realizzare emettitori quantici colloidali contrasta con la fabbricazione di materiali epitassiali, un processo ampiamente utilizzato che prevede la crescita di strati sovrapposti cristallini su un substrato esistente. Anziché, Yang ha detto, si possono depositare direttamente nanocristalli colloidali usando solventi più facilmente su diversi tipi di wafer.

Materiali simili perovskite sono già promettenti in ambienti fotovoltaici, e mostrano anche una serie di proprietà che li rendono candidati promettenti per i dispositivi a emissione di luce.

"I nanocristalli hanno una bassa densità di difetti che possono intrappolare i portatori [elettroni e buchi], producendo un tasso di decadimento non radiativo molto basso e un'elevata efficienza di fotoluminescenza a temperatura ambiente, " ha detto Yang.

I tentativi di emettere luce con materiali epitassiali non sono generalmente riusciti a coprire efficacemente lo spettro della luce visibile, con l'intervallo di lunghezze d'onda nel blu-verde particolarmente problematico. Il dispositivo che il team ha dimostrato ha mostrato un'emissione centrata a 510 nanometri nel verde.

"La grande sfida con questo metodo, però, è che devi trovare una concentrazione [densità] molto ottimizzata dei cristalli sulla superficie della cavità, "Ha detto Yang. "Non può essere troppo condensato, altrimenti sarà dannoso per la cavità e potrebbe portare a non conformità".

I nanocristalli e la nanocavità accoppiati hanno vantato un miglioramento di dieci volte nella luminosità di emissione rispetto ai soli emettitori. Ha provocato un aumento spontaneo del tasso di emissione di 2,9, riflettendo un aumento di quasi tre volte nell'efficienza di emissione di fotoni all'interno della cavità rispetto alle perovskiti su superfici non modellate.

I risultati sono una manna per l'optoelettronica, Yang ha detto, un campo che sfrutta gli effetti quantistici dei fotoni sui materiali elettronici per aiutare a costruire circuiti ottici che non soffriranno di alcune delle inefficienze dei dispositivi puramente elettronici, come il riscaldamento. I dispositivi optoelettronici godono anche di velocità di elaborazione più elevate e larghezze di banda del segnale più ampie, e un giorno potrebbe essere utilizzato nell'informatica quantistica e nelle reti di comunicazione quantistica.