Depuis leur invention en 1962, les lasers à diodes à semi-conducteurs ont révolutionné les communications et rendu possible le stockage et la récupération d'informations sur des CD, DVD et appareils Blu-ray. Ces diodes laser utilisent des semi-conducteurs inorganiques cultivés dans des systèmes élaborés à vide poussé. Maintenant, une équipe de chercheurs de Penn State et de l'Université de Princeton a fait un grand pas vers la création d'une diode laser à partir d'un matériau hybride organique-inorganique qui peut être déposé à partir d'une solution sur une paillasse de laboratoire.

"Ce n'est généralement pas un grand pas pour transformer une diode électroluminescente en laser, " a déclaré Chris Giebink, professeur assistant en génie électrique, État de Penn. « En gros, il suffit d'ajouter des miroirs et de pousser plus fort. Une fois que les diodes électroluminescentes organiques ont été inventées il y a 30 ans, tout le monde pensait que dès qu'on avait des OLED relativement performantes, qu'une diode laser organique suivrait bientôt."

Comme ça s'est apparu, les lasers à diodes organiques se sont avérés très difficiles à fabriquer.

Une diode laser organique pourrait avoir des avantages. D'abord, parce que les semi-conducteurs organiques sont relativement mous et flexibles, les lasers organiques pourraient être incorporés dans de nouveaux facteurs de forme impossibles pour leurs homologues inorganiques. Alors que les lasers à semi-conducteurs inorganiques sont relativement limités dans les longueurs d'onde, ou couleurs, de lumière qu'ils émettent, un laser organique peut produire n'importe quelle longueur d'onde qu'un chimiste souhaite synthétiser en laboratoire en adaptant la structure des molécules organiques. Cette accordabilité pourrait être très utile dans des applications allant du diagnostic médical à la détection environnementale.

Personne n'a encore réussi à fabriquer une diode laser organique, mais la clé pourrait bien impliquer des matériaux connexes – des pérovskites organiques/inorganiques – qui ont attiré beaucoup d'attention dans la communauté des chercheurs au cours des dernières années. Ce matériau hybride a déjà été à l'origine d'une ascension fulgurante du rendement du photovoltaïque, dit Giebink.

Les pérovskites sont des minéraux assez communs qui partagent une structure cristalline cubique similaire. Un peu paradoxalement, l'une des raisons pour lesquelles ces matériaux pérovskites hybrides fonctionnent si bien dans les cellules solaires est qu'ils sont de bons émetteurs de lumière. Pour cette raison, ils sont également intéressants pour une utilisation dans les LED et les lasers. Le matériau que Giebink et ses collègues étudient est composé d'un sous-réseau de pérovskite inorganique avec des molécules organiques relativement grosses confinées au milieu.

"Le but ultime est de fabriquer une diode laser à pérovskite à commande électrique, " a déclaré Giebink. " Cela changerait la donne. Il est assez facile de faire laser le matériau pérovskite par pompage optique, C'est, en braquant un autre laser dessus. Cependant, cela n'a fonctionné que pour des impulsions très courtes en raison d'un phénomène mal compris que nous appelons la mort laser. Le faire fonctionner en continu est une étape clé vers un éventuel appareil à entraînement électrique. Ce que nous avons trouvé dans cette étude récente est une curieuse bizarrerie. Nous pouvons éviter complètement la mort par laser simplement en abaissant un peu la température du matériau pour induire une transition de phase partielle. »

Dans un article publié en ligne aujourd'hui (20 novembre) dans la revue Photonique de la nature , Giebink et ses collègues rapportent le premier "laser à ondes continues dans un semi-conducteur de pérovskite aux halogénures de plomb organique-inorganique".

« Quand nous avons abaissé la température en dessous de la transition de phase, nous avons été surpris de constater que le matériau émettait initialement de la lumière à partir de la phase à basse température, mais a ensuite changé en moins de 100 nanosecondes et a commencé à émettre à partir de la phase à haute température - pendant plus d'une heure, " dit Yufei Jia, un étudiant diplômé du laboratoire de Giebink et auteur principal. "Il s'est avéré que lorsque le matériau s'est réchauffé, bien que la plupart du matériel soit resté dans la phase à basse température, de petites poches de la phase à haute température formées, et c'est de là que venait le laser."

Dans certains lasers inorganiques, il existe des régions étroites appelées puits quantiques où les porteurs de charge peuvent être piégés lorsque les électrons et les trous tombent dans les puits. L'intensité du laser dépend du nombre de porteurs de charge pouvant être emballés dans les puits quantiques. Dans le matériau pérovskite, l'agencement des inclusions de phase à haute température à l'intérieur de la masse à basse température semble imiter ces puits quantiques et peut jouer un rôle en permettant le laser continu.

"Le jury est toujours sur cette explication, " dit Giebink. " C'est peut-être quelque chose de plus subtil. "

Néanmoins, ces résultats pointent vers une opportunité de concevoir un matériau qui possède les qualités intrinsèques de cet arrangement en phase mixte, mais sans avoir à refroidir réellement le matériau à basse température. Le document actuel propose quelques idées sur la façon dont ces matériaux pourraient être conçus. La prochaine grande étape consiste alors à passer du pompage optique avec un laser externe à une diode laser à pérovskite qui peut être alimentée directement en courant électrique.

"Si nous pouvons résoudre le problème du pompage électrique, les lasers à pérovskite pourraient devenir une technologie à réelle valeur commerciale, " dit Giebink.