نجح فيزيائيون من روسيا في حل مشكلة عمرها 60 عامًا تتمثل في إنشاء صمام ثنائي ليزر بيروفسكايت

الحقن الكهربائي المباشر في أشباه الموصلات المشتقة من المحلول تشمل أشباه الموصلات المشتقة من المحلول المواد العضوية والنقاط الكمومية وبيروفسكايت الهاليد. إنها توفر بديلاً منخفض التكلفة للبلورات المعقدة المزروعة فوقيًا والتي يتم تصنيعها طبقة بعد طبقة على سطح الركيزة الصلبة. ومع ذلك، فإن إنشاء ثنائيات ليزر مدفوعة كهربائيًا استنادًا إلى محلول أشباه الموصلات ظل لفترة طويلة مهمة صعبة للغاية. عند كثافات التيار العالية، تكون بنيات LED التقليدية عرضة لارتفاع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى تدهور المواد. للتغلب على هذه العقبة، استفاد فريق بحث Skoltech من الفيزياء الفريدة لجسيمات الإكسيتون-بولاريتون – أشباه الجسيمات الهجينة التي تنشأ من الاقتران القوي بين الضوء (الفوتونات) وأزواج ثقب الإلكترون المرتبطة (الإكسيتونات) داخل تجويف بصري صغير. نظرًا لطبيعتها البوزونية، فإن البولاريتونات قادرة على الانهيار إلى حالة كمومية مجهرية واحدة -مكثف بوز-آينشتاين- وتصدر ضوء ليزر متماسك عند طاقات وكثافة شحن أقل بكثير من ليزر أشباه الموصلات التقليدي. ونشرت نتائج الدراسة في مجلة الطبيعة. قام الباحثون بدمج بلورة دقيقة من رقاقة البيروفسكايت المزروعة في محلول مع أقطاب أنابيب الكربون النانوية ذات الغشاء الرقيق أحادية الجدار داخل تجويف بصري دقيق عالي الجودة. باستخدام بروتوكول خاص للتبريد بالتبريد من خطوتين، حقق الفريق إعادة توزيع مكاني متحكم فيه للأيونات المتنقلة، مما شكل صمام ثنائي PIN مستقر و”مجمد”. يضمن هذا الصمام الثنائي PIN “المجمد” الحقن الفعال لحاملات الشحن دون تدمير الشبكة البلورية البيروفسكايت. تحت تيار كهربائي مباشر مستمر، أظهر الجهاز ليزر بولاريتون عند عتبة تيار منخفضة تبلغ 60 ميكروأمبير. “إن تحقيق ليزر الليزر عن طريق الضخ الكهربائي المباشر في المواد التي تم الحصول عليها من المحلول كان أحد الأهداف الرئيسية للإلكترونيات الضوئية لأشباه الموصلات لمدة 60 عامًا”، كما يقول المؤلف الرئيسي للدراسة، وكبير المحاضرين في مركز Skoltech للضوئيات والتقنيات الضوئية Anatoly Pushkarev. “من خلال الجمع بين أقطاب أنابيب الكربون النانوية الخاملة كيميائيًا مع شواغر الهاليد المتحركة في شبكة البيروفسكايت، وجدنا طريقة عملية لمنع التفاعلات غير المرغوب فيها في الواجهة بين البيروفسكايت والقطب الكهربائي والتغلب على التسخين الأومي. يؤدي حقن حاملات الشحنة في أجهزتنا إلى إنشاء مركز موضعي للغاية من التألق الكهربائي في موقع الخلل المادي الذي نشكله بالقرب من نهاية حزمة أنابيب الكربون النانوية. ” ويضيف المؤلف المشارك في الدراسة، الباحث الكبير ستيبان باريشيف من مركز سكولتيك للضوئيات والتقنيات الضوئية: “يخلق هذا العيب الفيزيائي إمكانات جذابة لبولاريتونات الإكسيتون الحرة ويلتقطها”. “لقد لاحظنا بوضوح ثلاث علامات مميزة لتكثيف الإكسيتون-بولاريتونات المحاصرة، وهي: زيادة غير خطية في كثافة الانبعاث، وتضييق الخط الطيفي، والتحول الأزرق لانبعاث الليزر عند تجاوز عتبة التيار”. تحويل تقنيات الجيل التالي الضوئية على عكس صمامات الليزر التقليدية لأشباه الموصلات، التي تتطلب تقنيات نمو فوقي معقدة ومكلفة، يمكن تصنيع تجاويف البيروفسكايت الدقيقة المشتقة من المحاليل باستخدام كيمياء بسيطة. علاوة على ذلك، يعمل ليزر البولاريتون بكثافة إثارة أقل بكثير من عتبة انتقال موت، مما يقلل من استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة. إن القدرة على التحكم المباشر في مكثفات الضوء والمادة باستخدام التيار الكهربائي تفتح آفاقًا محددة للتطبيق العملي في عدة مجالات في وقت واحد. يمكن لمثل هذه الأجهزة التي تعمل بالكهرباء أن تكون بمثابة وصلات بصرية متكاملة منخفضة الطاقة للحوسبة عالية السرعة، ومصادر ضوئية مدمجة متماسكة على الرقاقة في الاستشعار البصري والتحليل الطيفي، وتشكل الأساس لأنظمة الحوسبة العصبية الموفرة للطاقة والدوائر المنطقية الضوئية القائمة على البولاريتون. ويضيف المشرف على الدراسة، الأستاذ المتميز في سكولتيك، بافلوس لاجوداكيس، الذي يدير مختبر الضوئيات الهجين بالمعهد: “يوفر هذا العمل وصفة لإنشاء فئة جديدة من مصادر الضوء المتماسكة التي يتم التحكم فيها كهربائيًا استنادًا إلى حلول أشباه الموصلات”. “إنه يربط بين الفيزياء الأساسية للبولاريتونات وهندسة الأجهزة الإلكترونية الضوئية العملية، مما يمهد الطريق لتطبيقات العالم الحقيقي لليزر البولاريتون.”