Un nanofil, composé de césium, plomb et bromure (CsPbBr3), émet une lumière laser brillante après avoir été touchée par une impulsion d'une autre source laser. Le laser à nanofil s'est avéré très stable, émettant de la lumière laser pendant plus d'une heure. Il a également été démontré qu'il était largement accordable sur les longueurs d'onde vertes et bleues. La ligne blanche est une barre d'échelle qui mesure 2 microns, ou des millionièmes de pouce. Crédit :Crédit :Sam Eaton/UC Berkeley
Les nanofils, avec des diamètres aussi petits que 200 nanomètres (milliardièmes de mètre) et un mélange de matériaux qui s'est également avéré efficace dans les conceptions de cellules solaires de nouvelle génération, ont été montrés pour produire très lumineux, lumière laser stable. Les chercheurs disent que les excellentes performances de ces minuscules lasers sont prometteuses pour le domaine de l'optoélectronique, qui se concentre sur la combinaison de l'électronique et de la lumière pour transmettre des données, entre autres applications.
La lumière peut transporter beaucoup plus de données, beaucoup plus rapidement que l'électronique standard - une seule fibre dans un câble à fibre optique, mesurant moins d'un cheveu de diamètre, peut transporter des dizaines de milliers de conversations téléphoniques à la fois, par exemple. Et la miniaturisation des lasers à l'échelle nanométrique pourrait encore révolutionner l'informatique en apportant une transmission de données à la vitesse de la lumière aux ordinateurs de bureau et, finalement, aux appareils informatiques portables.
"Ce qui est étonnant, c'est la simplicité de la chimie ici, " dit Peidong Yang, un chimiste de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab qui a dirigé la recherche, publié le 9 février dans Actes de l'Académie nationale des sciences . Des techniques plus standard qui produisent des nanofils peuvent nécessiter un équipement coûteux et des conditions exotiques, telles que les températures élevées, et peut souffrir d'autres défauts.
L'équipe de recherche a mis au point un processus de solution de trempage chimique simple pour produire un mélange auto-assemblé de cristaux nanométriques, plaques et fils composés de césium, plomb et brome (de formule chimique :CsPbBr3). Le même mélange chimique, avec une architecture moléculaire composée de structures cristallines cubiques, s'est également avérée efficace dans une vague émergente de nouvelles conceptions de cellules solaires à haute efficacité.
Cette image au microscope électronique à balayage montre une collection de nanofils et de nanoplaques de bromure de plomb césium (CsPgbBr3) issus d'un processus de trempage chimique. Pour produire ces structures, les chercheurs ont plongé un film mince contenant du plomb dans une solution de méthanol contenant du césium, le brome et le chlore chauffés à environ 122 degrés. La barre d'échelle blanche en bas à droite représente 10 microns. L'image en bas à gauche montre l'extrémité rectangulaire bien formée d'un nanofil - la barre d'échelle blanche qui lui est associée représente 500 nanomètres de longueur. Crédit :Crédit :Sam Eaton/UC Berkeley
"La plupart des travaux antérieurs avec ces types de matériaux se concentrent sur ces applications de l'énergie solaire, " dit Yang, qui détient également des rendez-vous avec UC Berkeley et le Kavli Energy NanoScience Institute à Berkeley Lab et UC Berkeley. « Il y a eu tellement de progrès avec ces matériaux au cours des dernières années – j'ai le sentiment que ces matériaux ouvriront également une nouvelle frontière de recherche pour l'optoélectronique, " il a dit, et dans le domaine plus large de la photonique, qui se concentre sur l'utilisation de la lumière pour une gamme d'applications.
"L'objectif principal du développement de lasers nanométriques est d'interfacer de manière transparente des dispositifs photoniques (basés sur la lumière) avec des dispositifs électroniques, " Yang a dit, "à des échelles pertinentes pour les puces informatiques d'aujourd'hui. Aujourd'hui, ces appareils photoniques peuvent être encombrants."
L'équipe de recherche de Yang a été pionnière dans le développement de lasers à nanofils il y a près de 15 ans en utilisant un mélange différent de matériaux, y compris l'oxyde de zinc (ZnO) et le nitrure de gallium (GaN). Mais ceux-ci et d'autres, des combinaisons plus conventionnelles de matériaux utilisés pour fabriquer des nanolasers présentent des inconvénients qui peuvent inclure une accordabilité limitée, faible luminosité ou procédés de fabrication coûteux.
Dans ce dernier ouvrage, l'équipe de recherche a découvert comment produire des nanofils en trempant un film mince contenant du plomb dans une solution de méthanol contenant du césium, le brome et le chlore chauffés à environ 122 degrés Fahrenheit. Un mélange de structures cristallines de bromure de plomb césium formé, comprenant des nanofils d'un diamètre de 200 à 2, 300 nanomètres (0,2 à 2,3 microns) et une longueur allant de 2 à 40 microns.
Une image en fond noir (A) d'un nanofil de bromure de plomb césium (CsPbBr3). Le nanofil émet une lumière laser de luminosité croissante (B-D) après avoir été touché par une source laser externe. La barre d'échelle blanche représente 2 microns. Crédit :Sam Eaton/UC Berkeley
Certains nanofils utilisés dans l'expérience ont été placés sur une base de quartz et excités par une autre source laser qui les a fait émettre de la lumière. Les chercheurs ont découvert que les lasers à nanofils émettaient de la lumière pendant plus d'un milliard de cycles après avoir été frappés par une impulsion ultrarapide du visible, lumière violette qui n'a duré que des centièmes de quadrillions de secondes, qui a dit Yang a démontré une stabilité remarquable.
Yang a déclaré qu'à sa connaissance, ces nanofils pourraient être les premiers à émettre de la lumière laser en utilisant un mélange de matériaux totalement inorganique (ne contenant pas de carbone). Les chercheurs ont démontré que les lasers à nanofils pouvaient être réglés sur une gamme de lumière comprenant des longueurs d'onde vertes et bleues visibles.
Les nanofils ont une structure cristalline qui ressemble à celle d'un minéral naturel connu sous le nom de pérovskite. Les chercheurs ont étudié leur structure avec une technique connue sous le nom de microscopie électronique à transmission au Centre national de microscopie électronique, partie de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab. La fonderie moléculaire est une installation utilisateur du DOE Office of Science.
La structure cristalline des nanofils ressemble beaucoup au sel, ce qui les rend sensibles aux dommages causés par l'humidité de l'air, dit Yang.
"C'est une faiblesse, quelque chose que nous devons étudier et comprendre comment nous améliorer, ", a-t-il déclaré. Il peut être possible de revêtir les nanofils de polymères ou d'un autre matériau pour les rendre plus résistants aux dommages, il a dit. Il existe également des possibilités de tester d'autres matériaux et d'apprendre s'ils améliorent les performances, il a dit, comme le remplacement du plomb par l'étain.
Ted Sargent, un chercheur en nanotechnologie et professeur à l'Université de Toronto qui connaît bien l'étude, mentionné, "Les résultats indiquent une promesse significative pour les nanomatériaux pérovskites dans le laser." Aussi, il a dit, la stabilité des nanolasers, qui ont fonctionné dans l'air pendant plus d'une heure, était "impressionnant".
Yang a dit, "Ce domaine évolue rapidement. Nous nous sommes lancés dans ce domaine il y a seulement 12 mois, et ces lasers sont déjà incroyables, émetteurs lumineux. C'est tellement excitant."
