Химики из Университетов Колумбии и Висконсин-Мэдисона радикально упростили получение кристаллов, которые используются в качестве рабочего тела в высокопроизводительных лазерах. Несмотря на то, что получают их обычным осаждением из раствора, такие кристаллы по добротности и квантовой эффективности не уступают самым качественным аналогам, полученным эпитаксиальным методом с применением вакуума, сложного оборудования и дорогостоящих реагентов. Подробнее ознакомитьсяс результатами работы можно в журнале Nature Materials.

Основой лазеров стали перовскиты – вещества, имеющим в своем составе неорганический (свинец) и органический (метиламмоний) катионы. Они  интересны как потенциальные компоненты высокоэффективных солнечных батарей и к тому желегко доступны  – их можно синтезировать даже в пробирке.

Микрофотография перовскита CH₃NH₃PbI₃. Nam-Gyu Park, professor at Sungkyunkwan University

Синтез нанокристаллов проводили на поверхности стеклянной пластинки, покрытой тонким слоем ацетата свинца – первого из используемых реагентов. Пластинку погружали в раствор, содержащий второй реагент – например, и одидметиламмония, и тем самым запускали двуступенчатый процесс образования перовскита. По истечении 20 часов образовывались игольчатые кристаллы прямоугольного сечения диаметром около 400 нанометров и длиной от 10 микрон.

Внешний вид нанолазеров сразу после синтеза. Haiming Zhu et al./Nature Materials

Структура синтезированного перовскита. Haiming Zhu et al./Nature Materials

Весь синтез протекает при комнатной температуре, в обычном стакане и не требует ни нагрева, ни вакуума или специального оборудования. При этом монокристаллы получаются бездефектными и обладают гладкими параллельными гранями, что необходимо для функционирования лазера.

Для теста функциональности кристаллы переносили на подложку и облучали накачивающим лазером с длиной волны 402 нанометра. Значение добротности (отношение ширины пика испускания к длине волны) полученного лазера оказалось на порядок выше, чем у сделанного по последнему слову техники лазера на основе GaAs–AlGaAs, который работает при температуре не выше четырех кельвин. Квантовая эффективность (количество испущенных фотонов, отнесенное к количеству поглощенных) полученной системы составила почти 100%, к тому же выяснилось,что, варьируя концентрацию аниона в соли, можно подстроить длину волны испускания в диапазоне от 500 до почти 800 нанометров.

Лазеры на основе нанопроводов обладают широким спектром потенциальных применений – начиная от телекоммуникационного оборудования и хранения данных и вплоть до использования в медицинской диагностике и терапии. Их небольшие размеры позволяют значительно миниатюризировать устройства, а возможность электрической накачки открывает новые перспективы для интегрированной оптоэлектроники.