Volledig-spectrumanalyse van op perovskiet gebaseerde oppervlakteplasmon-nanolasers

Resultaten en discussie

De voorgestelde nanocaviteit vertoont een laagdrempelige en sterke modale opsluiting, weergegeven in figuur 1a. We hebben de resonantiemodi bepaald om de kenmerken van de holte te onderzoeken. De modale profielen van de nanoholte met een perovskiet NW op een SiO₂ /Ag-plaat worden weergegeven in Fig. 1. We hebben bewezen dat de transversale aanzichten van het resonantiemodusprofiel |E | (b) op een buik van het profiel langs de z -as (x -j vlak), (c) in het midden van een dunne opening (onder het NW) (x -z vlak), en (d) door het NW in tweeën te delen (y -z vliegtuig), respectievelijk. Zoals weergegeven in figuur 1b, is het profiel van de holtemodus inderdaad sterk beperkt tot de kenmerken van de geleide hybride spleetmodus. Het in figuur 1d geïllustreerde resonantiepatroon onthult de kenmerken van zowel de NW-fotonische lekkende modi (breedte onder de afsnijdimensie) als de zich voortplantende oppervlakteplasmongolven. Naast een duidelijk staande golfpatroon langs de lange as (z -richting) afgebeeld in Fig. 1c, de laterale verdeling van de modus (langs de x -richting) gedefinieerd door de kleine NW van nanoschaalbreedte is ook voldoende beperkt, wat overeenkomt met de kenmerken van de plasmonische modus.

Kenmerken van plasmonische hybride perovskiet-golfgeleiders

Om de plasmonische laserkarakteristieken in het zichtbare tot nabij-infrarode golflengtegebied te onderzoeken, de diëlektrische functie van de hybride versie van Br-gedoteerde MAPbCl₃ (MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ ) en I-gedoteerde MAPbBr₃ (MAPb(I_y Br_1-y )₃ ) werden onderzocht. In de eenkristal perovskiet MAPbX₃ , komen complexe elektronische configuraties voort uit de hybridisatie van een organische groep, lood-kationische en halogeen-anionische toestanden die meerdere elektronische overgangen veroorzaken. In het rooster van gedoteerde MAPbX₃ , de doteermiddelen en vacatures, geïntroduceerd tijdens de ionenuitwisselingsreactie, kunnen de kristallijne kwaliteit verlagen en discrete elektronische toestanden uitsmeren. Daarom, in plaats van het uitvoeren van rigoureuze eerste-principe bandberekeningen [36] om elke afzonderlijke absorptiepiek op de dispersierelatie van de diëlektrische functie te onthullen, geven we die diëlektrische functie aan ϵ als een eenvoudige functie van de emissie-energiebandgap (E _g ) van de gemengde perovskieten (MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ ) met verschillende dopingsamenstellingen (x ). De Moss-regel [37], \( \epsilon (x)=a+b\sqrt{E_g(x)} \), wordt daarom aangenomen. De diëlektrische functie ϵ is gerelateerd aan emissie-energie bandgap E _g van de gemengde perovskieten (MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ ) met dopingsamenstelling x . In de formule is de diëlektrische functie ϵ (x ) van pure perovskieten MAPbCl₃ (x =0) en MAPbBr₃ (x =1) bij hun respectievelijk corresponderende emissiegolflengten 425 en 555 nm [30] werd gebruikt om fittingconstanten a te bepalen en b . De energiebandgap van pure perovskieten werd afgeleid uit de emissiegolflengten. Vervolgens hebben we de energiebandgap van gemengd perovskiet verkregen uit de relatie \( {E}_g^{\mathrm{MAPb}{\left({\mathrm{Br}}_x{\mathrm{Cl}}_{1-x} \right)}_3}(x)=\left(1-x\right){E}_g^{\mathrm{MAPb}{\mathrm{Cl}}_3}+x{E}_g^{\mathrm{ MAPb}{\mathrm{Br}}_3} \) [38]. Zoals getoond in Fig. 2, de complexe brekingsindex (n , k ) van MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ is afgeleid van de diëlektrische functie, \( n(x)+ ik(x)=\sqrt{\epsilon (x)} \), bij elke dopingsamenstelling x . Met de toename van de inhoud van Br, gedoteerd MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ vertoont een roodverschoven energiebandgap en zendt uit bij langere golflengten. Dezelfde procedure werd toegepast bij het afleiden van (n , k ) van MAPb(I_y Br_1-y )₃ met I dopingsamenstelling y , zoals weergegeven in de rechter sectie van Fig. 2. Het mengsel van MAPbBr₃ (j =0) en MAPbI₃ (j =1), MAPb(I_y Br_1-y )₃ zendt uit bij lange golflengten van 555 tot 800 nm. De brekingsindices van gedoteerde perovskieten zijn weergegeven in figuur 2 en worden gebruikt in de volgende berekeningen. De brekingsindices van pure perovskieten MAPbCl₃ , MAPbBr₃ , en MAPbI₃ bij composities x =0, x =1 (j =0), en y =1 zijn (2,2, 0,013), (2,30, 0,01) en (2,49, 0,0009). Ze zenden uit bij golflengten van respectievelijk 425, 555 en 800 nm.

Dispersieve eigenschappen van samengestelde hybride MAPbX₃ . Complexe brekingsindices (n , k ) van hybride perovskieten MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ (groene lijnen) en MAPb(I_y Br_1-y )₃ (rode lijnen) van verschillende composities (x en y ) uitzenden bij golflengten over het zichtbare en infrarode spectrum. Brekingsindexen van pure perovskieten MAPbCl₃ , MAPbBr₃ , en MAPbI₃ bij composities x =0, x =1 (j =0) en y =1 zijn (2,2, 0,013), (2,30, 0,01) en (2,49, 0,0009). Ze zenden uit op de golflengte λ =425, 555 en 800 nm

Vervolgens hebben we de kenmerken bestudeerd van fundamentele plasmonische spleetmodi, die gevormd worden door de koppeling tussen lekkende fotonisch geleide modi (onder de afsnijfrequentie) van perovskiet NW's en oppervlaktegolven die voornamelijk geconcentreerd zijn op het grensvlak van spleet en metaal. Zoals geïllustreerd in Fig. 3, hebben we de modale verlies- en opsluitingsfactor [24] van de geleide hybride plasmonische modi voor de golfgeleider bepaald - een gemengde perovskiet NW, MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ en MAPb(I_y Br_1-y )₃ van dopingsamenstelling x en y van 0 tot 1 op de SiO₂ /Ag, SiO₂ /Al of SiO₂ /Au plaat met spleetdikte t _g bij hun corresponderende emissiegolflengten. We hebben de geleide modi bepaald die overeenkomen met een groot bereik van emitterende golflengten, van 425 tot 555 nm voor de perovskiet MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ en van 555 tot 800 nm voor MAPb(I_y Br_1-y )₃ . In deze berekeningen waren de complexe brekingsindices van de gedoteerde perovskieten (n , k ) zoals weergegeven in Fig. 2. De dispersieve brekingsindices van metaallagen, Al, Ag en Au, werden overgenomen uit eerdere experimentgegevens [39].

Modaal verlies en opsluitingsfactor van geleide modi. een , c Modaal verlies en b , d opsluitingsfactor van de geleide plasmonische spleetmodi bij vaste SiO₂ spleetdikte, t _g =0 (blauwe lijnen), 5 (rode lijnen) en 15 (groene lijnen) nm, overeenkomend met de gedoteerde perovskiet in het fotoluminescente spectrum van λ =425 tot 800 nm. De hybride perovskiet MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ WG's op Ag (ononderbroken lijnen) en Al-platen (gestippelde stippellijnen) worden berekend zoals weergegeven in (a , b ). Die van perovskiet MAPb(I_y Br_1-y )₃ WG's op Ag (ononderbroken lijnen), Al (stippellijnen) en Au (stippellijnen) platen worden opgelost bij λ =555 tot 800 nm zoals weergegeven in (c , d ). De inzet in (b , d ) onthullen de modale profielen |E | van de geleide plasmonische gap-modi op SiO₂ -bedekte Ag-platen van t _g =5 nm voor de gedoteerde perovskieten van composities x =0 (gele cirkel), x =0,58 (rode cirkel), y =0 (oranje cirkel), en y =0,59 (groene cirkel)

Met betrekking tot perovskieten die uitzenden bij golflengten van 425 tot 555 nm, vertoonde de plasmonische golfgeleider (WG) met de NW op Al-plaat een relatief lager modaal verlies (ten opzichte van de Ag-plaat) dichtbij korte golflengten zoals weergegeven in Fig. 3a. Zo werden kleine metaalverliezen waargenomen in de hybride modus in de WG's op Al-platen niet waargenomen op Ag-platen. Een reden was dat de oppervlakteplasmonfrequentie van perovskiet/SiO₂ /Ag was in de buurt van λ =425 nm en die van perovskiet/SiO₂ /Al bevond zich in de buurt van korte golflengten. De opsluiting van plasmongolven nabij de plasmonfrequentie was extreem sterk vanwege de resonantie van de ladingsoscillatie. Daarom was de absorptie van elektromagnetische energie in de buurt hoog. Anders, voor de WG met perovskiet MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ met x dicht bij 1 (uitstralend bij lange golflengten van groene kleuren) op Al-platen, kan het modaal verlies hoger zijn dan dat op Ag-platen. We hebben bovendien de opsluitingsfactor bepaald van geleide plasmonische spleetmodi bij een vaste spleetdikte (t _g =0, 15 en 30 nm). De sterke opsluiting van het modaal profiel binnen de dunne opening duidde op een sterke overlapping met het metaal, waardoor ernstig ohms verlies werd veroorzaakt. Dit werd gecontroleerd door de spleetdikte te vergroten. De opsluitingsfactoren van perovskiet-WG's op Ag-platen waren relatief hoger dan die van andere WG's op Al-platen. Dit suggereerde een sterke opsluiting van plasmonische WG-modi nabij het versterkingsmedium op de Ag-platen en een kleine overlap met de omgeving.

De beperkte overlap van geleide modi met metaal leidt tot een lager modaal verlies, zoals eerder besproken, omdat alleen metallisch verlies verantwoordelijk is voor het modale verlies in dit schema. We kunnen zien dat, zoals weergegeven in figuur 3b, wanneer de plasmonfrequentie van Ag nadert (rond korte golflengten), de opsluitingsfactoren sterker worden in de WG op de Al-platen. Om de opsluiting van plasmonische gap-modi te onthullen, hebben we de modale profielen berekend |E | van een MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ NW WG's op Ag-plaat zoals weergegeven in inzetstukken van Fig. 3b bij golflengten van 425 (x =0) en 500 nm (x =0,58) op vaste t _g van 5nm. Voor de WG bij kortere golflengten, of rond de minimale dikte t _g =0 nm, de koppeling tussen de fotonische modus van nanodraad en de plasmonische modus aan het oppervlak was sterker, wat leidde tot een zeer beperkte plasmonische modus (zoals weergegeven in de percelen met gele cirkel). Bij langere emitterende golflengten van perovskiet met een hogere doteringssamenstelling worden de koppelingssterkten echter zwakker. De plasmonische spleetmodi onthulden minder intensiteit binnen de spleet en een aanzienlijke hoeveelheid energie verspreidt zich rond het omringende medium (zoals aangegeven door de afbeelding met een rode cirkel). De beperkte overlap van geleide modi met metaal leidde tot een lager modaal verlies. De tendens van de modale verliescurve nam af met de toename van de spleetdikte. Bij langere golflengten, vergelijkbaar met de WG met dikkere openingen, resulteert een lagere koppelingssterkte in een lagere opsluiting.

In WG's met hybride perovskieten die uitzenden bij golflengten van 555 tot 800 nm, is het schema met MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ NW, de Au-plaat is mogelijk niet het geschikte plasmonische medium, zoals blijkt uit het grote modale verlies (met betrekking tot de Ag- en Al-plaat) zoals weergegeven in figuur 3c. De Au-plaat vertoonde een plasmonische absorptiepiek bij ongeveer 520 nm. Daarom neemt het intrinsieke metaalverlies toe bij het naderen van plasmonische golflengten. Superieure chemische stabiliteit maakt Au echter een geprefereerde kandidaat om de plasmonische eigenschappen in fotonische apparaten te onderzoeken, vooral bij rode en oranje kleurgolflengten. Het denkbeeldige deel van de brekingsindex van Ag was kleiner dan dat van Al in dit golflengtegebied. Bij golflengten van ongeveer 550 nm domineerde het metaalverlies het modale verlies. Ongeacht of de opening dun of dik was, het overeenkomstige modale verlies van Al was groter dan dat in Ag zoals weergegeven in figuur 3c. Figuur 3d liet zien dat de opsluitingsfactoren van drie WG's met dikkere openingen vergelijkbaar zijn bij langere golflengten. De neiging van opsluitingsfactorcurven en kenmerken van modale profielen geïllustreerd in figuur 3d worden beïnvloed door de koppelingssterkten; op een manier die vergelijkbaar is met de bovengenoemde bespreking van figuur 3b. Om de resonantiemodi in de holtes te onderzoeken op basis van deze fundamentele plasmonische kloofmodi, die het meest waarschijnlijk zullen laseren, hebben we in elk geval de transparantiedrempelwinsten bepaald, zoals weergegeven in Fig. 4.

Transparantiedrempelwinsten van fundamentele hybride plasmonische gap-modi. In de structuren met hybride perovskieten, a MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ NW's op SiO₂ -gecoate Ag en Al platen b MAPb(I_y Br_1-y )₃ NW's van verschillende samenstellingen op SiO₂ gecoate Al-, Ag- en Au-platen, respectievelijk overeenkomend met verschillende perovskiet-emissiegolflengten. Bij de minimale spleetdikte t _g =0, transparantiedrempelwinsten van de plasmonische modi op Ag-platen zijn 18470,5 en 6259,1 aangegeven door de zwarte sterren in (a ) bij λ =425 nm en (b ) bij λ =555 nm

Drempelprestaties van plasmonische hybride perovskiet-nanolaser

We evalueerden transparantiedrempelwinsten door de opsluitingsfactor en het modaal verlies van elke WG te gebruiken voor het vergelijken van resonantie-eigenschappen in de nanoholten van verschillende metalen en spleetdiktes. De transparantiedrempel wordt gedefinieerd als de verhouding tussen modaal verlies en de beperkingsfactor [24]. Zoals weergegeven in figuur 4a, vertoont Ag superieure opsluitingsfactoren en transparantiedrempels voor elke perovskiet MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ WG bij de overeenkomstige emissiegolflengte. De optimale dikte van de holtes met de laagste drempel zou het minimale geval moeten zijn van t _g =0. Bijvoorbeeld minimaal t _g =0, de transparantiedrempelwinsten van de plasmonische modi op Ag-platen waren 18470,5 en 6259,1 aangegeven door de zwarte sterren in Fig. 4a bij λ =425 nm en Fig. 4b bij λ =555 nm, respectievelijk. Deze waarden waren iets lager dan die bij andere spleetdiktes. De hybride plasmonmodus gevormd door directe koppeling aan de oppervlakteplasmonmodus vertoont uiteindelijk beperkte velden. Het modale profiel dat geschikt is om de eindreflectoren grondig te reflecteren is echter vaak niet het extreem beperkte profiel. Verder wordt de oxidatielaag gewoonlijk gevormd tijdens het depositieproces, maar een oxidatielaag kan zich in de loop van de tijd onverbiddelijk vormen. Met betrekking tot de oxidatielaag van beperkte dikte op de Ag-plaat was de drempel relatief laag bij een dikte van ongeveer 5 tot 7 nm. Bij de golflengten dichtbij 425 nm was de transparantiedrempelversterking van de perovskiet WG op Al iets lager dan die op Ag, als resultaat van een lager materiaalverlies en een aanzienlijke overlap met het verliesgevende gebied. Uit de discussies over modale verlies- en opsluitingsfactoren en de resultaten geïllustreerd in Fig. 3, is het niet moeilijk om te anticiperen op de lagere drempels van de holtes op de Ag-platen met gedoteerde perovskieten die uitzenden bij lange golflengten van oranje en rode kleuren of infraroodspectra, zoals afgebeeld in Fig. 4b. In de holtes op Au was de drempel aanzienlijk hoog vanwege de relatief grote materiaalopname. Hoewel Al goedkoop is en een beperkte neiging vertoont om een ​​meetbare oxidatielaag te vormen, kan het nog steeds uitstekend functioneren als een plasmonisch medium in deze gedoteerde perovskiet-geïntegreerde schema's omdat het overeenkomt met aanvaardbare transparantiedrempels en minder gevoelig is voor de kloof dikte en doteringssamenstelling, zoals weergegeven in Fig. 4a, b. Daarom is Ag de beste keuze als plasmonisch medium voor het onderzoeken van het metaalgerelateerde perovskiet-lasingproces, ook al is het nodig om het te coaten met een oxidatielaag. Een diëlektricum met een lage index (oxidatielaag) van ongeveer 5 tot 10 nm dikte kan geleide plasmonische spleetmodi ondersteunen; deze spleetlaag kan resulteren in geschikte reflectie aan de eindfacetten om ongewenst spiegelverlies te verminderen.

Na het bepalen van de ruimtelijke verdeling van modale profielen zoals weergegeven in Fig. 1b-d, schatten we de kwaliteitsfactor, Q met behulp van Re[f _r ]/2 Im[f _r ], waarbij de f _r is de complexe eigenfrequentie van de resonantiemodus verkregen met behulp van de 3D FEM. We vergeleken deze geschatte waarden van de Q -factor van de resonantiemodi in de holtes verkregen met behulp van drie perovskieten (MAPbX₃; X:Cl, Br en I) op SiO₂ -gecoate Ag- en Al-platen met een vaste spleetdikte t _g van 7 nm. Voor een eerlijke vergelijking:holtelengte L werd ingesteld op vier effectieve golflengten (4λ / Re[n _eff ]) bij de corresponderende λ , waar Re[n _eff ] is in elk geval de effectieve modale index van begeleide modi. We concludeerden dat vanwege het grote intrinsieke materiële verlies van Al in het zichtbare spectrum, de Q -factoren van de holtes op Al-platen waren niet vergelijkbaar met Ag-platen. De Q -factor was zeker hoger in de holte bij de golflengte λ bijna 425 nm. Het was echter minder in staat om de hybride plasmonische modus op te sluiten in het versterkingsgebied nabij de dunne openingen, zoals aangegeven door de opsluitingsfactor. Daarom is de vergelijking van Q -factoren suggereerden ook dat Ag de voorkeur heeft in het perovskiet-geïntegreerde plasmonische schema in het zichtbare spectrum. Daarom is het verstrooiingsverlies van eindfacetten mogelijk niet de dominante factor die de prestaties van holtes verslechtert. Zoals aangegeven door de laagste transparantiedrempelwinsten zoals weergegeven in figuur 4b, onthulden de resonantiemodi op de Ag-plaat dichtbij 800 nm mogelijk een relatief hoge waarde van Q -factor, die potentieel aangeeft in toekomstige toepassingen met betrekking tot plasmon-versterkte exciton-fotonkoppeling en bio-sensing.

Vermogensafhankelijke fotoluminescentie werd gemeten om de emissiespectra op te lossen en het laservermogen bij verschillende pompingangen vast te leggen, zoals weergegeven in Fig. 5. De emissiespectra van de holte met een MAPbBr₃ NW op de SiO₂ -bedekte Ag-plaat worden weergegeven in Fig. 5a. Emissiepieken in het spectrum werden vervolgens aangepast om de licht-licht (L-L) curve van MAPbBr₃ te verkrijgen nanolaser. In de emissiespectra neemt het uitgangsvermogen dramatisch toe bij het pompvermogen boven de drempel (bij ongeveer 1,62 μW gemiddeld vermogen); de scherpe verandering werd ook waargenomen in de overeenkomstige L-L-curven zoals getoond in Fig. 5b. Zodra het pompvermogen hoger is dan de laserdrempel, neemt de emissielijn met één piek van de laseroutput af van 7,6 nm tot ongeveer 0,5 nm. De uitgangssignalen werden verzameld van de NW-eindfacetten. Het drempelvermogen is een orde van grootte kleiner dan die van de ZnO NW-nanolaser op de Ag-plaat. Mogelijke redenen kunnen de superieure materiële winst zijn die wordt geboden door MAPbBr₃ dan die van ZnO en het kleinere interne verlies bij 550 nm dan dat bij 370 nm [35]. Bovendien onthullen perovskiet NW-plasmonlasers [26,27,28] verschillende drempels bij verschillende temperaturen. Om bij kamertemperatuur onder sterke pompkrachten te werken en tegelijkertijd de prestaties van de apparaten te behouden zonder ernstige materiaalablatie en thermische degradatie, zouden de thermische stabiliteit [40] en kristalkwaliteit [41] van perovskiet NW de belangrijkste parameters kunnen zijn die moeten worden verbeterd. Gewenste kenmerken zoals lage drempel en smalle lijnbreedte breiden potentiële toepassingen in toekomstige miniatuur actieve fotonische apparaten uit.

Kenmerken van laseren. een Representatieve emissiespectra voor pompvermogen onder (1,4 W), nabij (1,62 W) en boven (3,43 μW) de laserdrempel. b L-L-curven (rode cirkels) en evolutie van lijnbreedten van dominante pieken met toenemende pompintensiteit (blauwe cirkels) van de MAPbBr₃ NW plasmon nanolaser on SiO₂ -covered Ag plates