Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'Université de Kyushu et l'Institut de chimie appliquée de Changchun, Académie chinoise des sciences, s'est montré stable, laser continu à température ambiante pendant plus d'une heure à partir d'une classe de matériaux à faible coût appelés pérovskites, enfin surmonter un phénomène qui a jusqu'à présent empêché une opération aussi longue.

Utilisé dans tout, de la fabrication et de la recherche aux communications et au divertissement en raison de leur émission lumineuse très uniforme, les lasers sont souvent classés selon le matériau qui convertit l'énergie d'entrée - généralement soit la lumière soit l'électricité - en lumière laser, avec des matériaux communs, y compris les semi-conducteurs inorganiques et organiques, gaz et cristaux.

Les développements récents des pérovskites les ont rendus attractifs pour les lasers car ils peuvent être fabriqués à partir d'une solution à faible coût pour avoir des couleurs accordables et une excellente stabilité, mais un phénomène appelé "mort laser" provoque l'arrêt du laser en fonctionnement constant à température ambiante après quelques minutes pour des raisons qui n'ont pas été claires.

Maintenant, des chercheurs de l'Université de Kyushu et de l'Institut de chimie appliquée de Changchun rapportent dans le journal La nature qu'ils ont réussi à surmonter la mort laser dans les pérovskites quasi-2-D en prenant en considération des états énergétiques appelés excitons triplés.

« La réalisation de lasers à base de semi-conducteurs organiques a été principalement entravée par les pertes causées par l'accumulation de triplets. Cependant, la situation des triplés dans les pérovskites quasi-2-D n'avait pas encore été pleinement prise en compte, " dit Chuanjiang Qin, professeur de l'Institut de chimie appliquée de Changchun, Académie chinoise des sciences, et chercheur principal de l'étude.

Alors que l'énergie dans les dispositifs optoélectroniques est souvent considérée en termes de charges positives et négatives, des charges opposées peuvent également se réunir et former temporairement un état énergétique appelé exciton avant de libérer leur énergie. Les excitons sont fréquemment observés dans les semi-conducteurs organiques et, en raison de considérations de mécanique quantique, se répartissent le plus souvent en deux types appelés singulets et triplés, l'émission de lumière étant presque impossible pour les triplés.

Les pérovskites quasi-2-D que les chercheurs ont étudiées sont une combinaison d'inorganiques et d'organiques, avec des régions de cristaux de pérovskite constituées des mêmes composants répétés dans toutes les directions pris en sandwich entre des feuilles organiques. L'équipe a récemment trouvé des preuves d'excitons triples avec une longue durée de vie de près d'une microseconde dans les matériaux, ils se sont donc concentrés sur les triplés comme cause possible de la mort laser.

"Les triplets n'émettent pas de lumière et ont tendance à interagir avec les maillots électroluminescents d'une manière qui fait que les deux perdent leur énergie sans produire de lumière, " explique Qin. " Ainsi, si des triplés sont présents dans les pérovskites, nous devons probablement les écarter afin qu'ils n'interfèrent pas avec le laser."

Pour faire ça, les chercheurs ont incorporé dans les pérovskites une couche organique qui maintient les triplets dans un état de faible énergie. Parce que les excitons veulent passer à des énergies plus basses, les excitons triplets à vie longue sont transférés de la partie électroluminescente de la pérovskite aux couches organiques, réduisant ainsi les pertes et permettant au laser sous excitation optique constante de se poursuivre sans interruption. Alternativement, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient également obtenir un effet laser continu en mettant simplement la couche de pérovskite dans l'air, car l'oxygène peut détruire les triplets, confirmant en outre que les pertes causées par les triplés sont une cause possible de décès par laser.

Dans leurs meilleurs appareils à alimentation optique, l'intensité du laser en fonctionnement continu était presque inchangée après une heure à température ambiante dans l'air avec une humidité relative de 55%, et le spectre laser a maintenu son étroitesse sans se déplacer.

"Nous avons démontré le rôle clé des triplets dans le processus d'effet laser de ces types de pérovskites et l'importance de la gestion des triplets pour obtenir un effet laser continu, " dit Chihaya Adachi, directeur du Centre de recherche en photonique organique et électronique de l'Université de Kyushu et chef de l'équipe de l'Université de Kyushu. "Ces nouvelles découvertes ouvriront la voie au développement futur d'une nouvelle classe de lasers à commande électrique basés sur des pérovskites qui sont peu coûteux et faciles à fabriquer."