Exploiter les propriétés quantiques des photons pour l'optoélectronique nécessite des sources lumineuses très efficaces. Les nanocristaux de pérovskite de trihalogénure de plomb présentent un certain nombre de propriétés qui en font des candidats prometteurs comme sources lumineuses. Bien que le couplage d'émetteurs quantiques avec des cavités nanophotoniques puisse augmenter considérablement l'efficacité, cette approche n'a pas été explorée avec ces nanocristaux.

Maintenant, un groupe de chercheurs de l'Université du Maryland et de l'ETH Zurich a démontré une approche simple pour coupler des nanocristaux de pérovskite de tribromure de césium et de plomb (CsPbBr3) synthétisés en solution à des cavités photoniques de nitrure de silicium (SiN). L'émission de lumière à température ambiante qui en résulte est augmentée d'un ordre de grandeur supérieur à ce que les pérovskites peuvent émettre seules. Le doctorant Zhili Yang et d'autres rapportent leurs résultats cette semaine dans Lettres de physique appliquée .

"Nos travaux montrent qu'il est possible d'améliorer l'émission spontanée de nanocristaux de pérovskite colloïdale à l'aide d'une cavité photonique, ", a déclaré Yang. "Nos résultats ouvrent la voie à des sources lumineuses compactes sur puce avec une consommation d'énergie et une taille réduites."

Pour coupler les nanocristaux à la cavité photonique, le groupe a coulé des nanocristaux de pérovskite dans une solution de toluène sur la cavité de SiN. Ils ont ensuite excité l'appareil avec un laser pulsé, conduisant à l'émission de photons à partir des nanocristaux.

L'utilisation de solutions pour fabriquer des émetteurs quantiques colloïdaux contraste avec la fabrication de matériaux épitaxiaux, un procédé largement utilisé qui consiste à faire croître des surcouches cristallines sur un substrat existant. Au lieu, Yang a dit, on peut déposer directement des nanocristaux colloïdaux à l'aide de solvants plus facilement sur différents types de plaquettes.

Des matériaux pérovskites similaires sont déjà prometteurs dans les installations photovoltaïques, et ils présentent également un certain nombre de propriétés qui en font des candidats prometteurs pour les dispositifs électroluminescents.

"Les nanocristaux ont une faible densité de défauts qui peuvent piéger des porteurs [électrons et trous], produisant un taux de décroissance non radiatif très faible et une efficacité de photoluminescence élevée à température ambiante, " a dit Yang.

Les tentatives pour émettre de la lumière avec des matériaux épitaxiaux n'ont généralement pas réussi à couvrir efficacement le spectre de la lumière visible, la gamme de longueurs d'onde dans le bleu-vert étant particulièrement problématique. L'appareil que l'équipe a démontré présentait une émission centrée à 510 nanomètres dans le vert.

« Le grand défi de cette méthode, cependant, c'est qu'il faut trouver une concentration [densité] très optimisée des cristaux à la surface de la cavité, " a déclaré Yang. " Il ne peut pas être trop condensé, sinon cela sera préjudiciable à la cavité et pourrait conduire à une non-conformité. "

Les nanocristaux et la nanocavité couplés ont présenté une amélioration de la luminosité d'émission par dix par rapport aux émetteurs seuls. Il en a résulté une augmentation spontanée du taux d'émission de 2,9, reflétant une augmentation presque triple de l'efficacité d'émission de photons dans la cavité par rapport aux pérovskites sur des surfaces sans motif.

Les résultats sont une aubaine pour l'optoélectronique, Yang a dit, un domaine qui exploite les effets quantiques des photons sur les matériaux électroniques pour aider à construire des circuits optiques qui ne souffriront pas de certaines des inefficacités des appareils purement électroniques, comme le chauffage. Les appareils optoélectroniques bénéficient également de vitesses de traitement plus rapides et de bandes passantes de signaux plus larges, et pourrait un jour être utilisé dans l'informatique quantique et les réseaux de communication quantique.