Лазерный мир

Российские физики сумели использовать миграцию ионов себе во благо

Схема устройства. На врезах строение кристаллической решетки перовскита и взаимодействие поляритонов с веществомN + 1; Pushkarev et al. / Nature, 2026

Российские физики нашли способ заставить перовскитный лазер работать без внешней оптической накачки. Для этого они использовали миграцию ионов, которая обычно считается одним из главных недостатком перовскитов. Статья опубликована в журнале Nature.

Лазер — это устройство, испускающее сфокусированный монохроматический пучок света. Сегодня лазерное излучение широко востребовано повсюду — от медицины до 3D-печати. Чтобы получить такой пучок, активную среду сначала накачивают энергией, а потом многократно усиливают возникающее излучение в оптическом резонаторе. В первых лазерах излучение возбуждали другим излучением, а сейчас чаще используют электрическую накачку: энергию в активную область подает не свет, а электрический ток. Такие лазеры компактнее и проще интегрируются в электронные приборы. 

Особенно привлекательными кандидатами для таких лазеров считаются галогенидные перовскиты. Их можно выращивать из раствора, что может сделать производство дешевле традиционных полупроводниковых технологий. Но создать перовскитный лазер с прямой электрической накачкой оказалось очень непросто. Под действием поля в перовските начинается ионная миграция, деформация решетки, а вслед за ней — коррозия электродов. Кроме того, перовскитные кристаллы плохо проводят тепло и при больших токах быстро перегреваются. Это усиливает безызлучательную рекомбинацию — электроны и дырки начинают терять энергию в виде тепла, а не света. Охлаждение не решает проблему полностью, но вызывает рост сопротивления и нарушает баланс электронов и дырок. В общем, проблем с перовскитным лазером было немало, и попытка решить одну нередко усугубляла другие.

Остроумный выход из ситуации отыскали российские физики под руководством Анатолия Пушкарева (Anatoly P. Pushkarev) и Павлоса Лагудакиса (Pavlos G. Lagoudakis) из Университета Сколково. Они поместили микрокристалл перовскита CsPbBr3 между двумя электродами из одностенных углеродных нанотрубок и встроили полученное устройство в оптический микрорезонатор, образованный двумя брэгговскими зеркалами. После включения электрического поля в перовските ожидаемо начиналась ионная миграция и возникал p–i–n-переход — у анода образовывался слой, богатый дырками, а у катода — слой, богатый электронами. Это облегчало инжекцию носителей заряда. Однако при дальнейшем действии поля миграция продолжалась, проявлялись все ее негативные эффекты, и работа устройства ухудшалась. Чтобы остановить этот процесс, физики использовали охлаждение, но не стандартное, а двухэтапное. Сначала устройство охладили до 280 кельвин, немного замедлив движение ионов, а затем — до 8 кельвин. В результате удалось «заморозить» p–i–n-переход на нужной стадии, сохранив эффективную инжекцию носителей.
 
 Кроме того, оптический микрорезонатор обеспечивал сильное взаимодействие света с экситонами в перовските. А охлаждение, вероятно, помогло этому процессу, стабилизировав экситоны. Благодаря этому устройство перешло в поляритонный режим, при котором лазерная генерация возникает при меньшей плотности носителей, чем в обычном полупроводниковом лазере. Действительно, при достижении порогового тока в 60 микроампер интенсивность излучения скачком возросла на два порядка. Устройство начало испускать монохроматический зеленый свет. 

Таким образом, авторы превратили главное препятствие для электрической накачки перовскитов в часть решения: сначала позволили ионам самостоятельно сформировать p–i–n-переход, а затем «заморозили» его двухэтапным охлаждением. Пока что устройство работает только при экстремально низких температурах, но предложенная российскими физиками стратегия может оказаться полезной и для других полупроводников, получаемых из раствора, а также приблизить практическое применение поляритонных лазеров. 

Источник: https://nplus1.ru/news/2026/07/28/perolaser