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Perowskit-Laser bleibt über 400 Millionen Pulse stabil
Haltbarkeitstest mit empfindlichem Halbleiter: Ein Perowskit-Laser zeigte über mehr als 400 Millionen Anregungspulse stabile Eigenschaften. Ein Teil des Bleis wurde durch Zink ersetzt, zudem verbesserten ein Polymerzusatz und eine Nachbehandlung die dünne Laserschicht. Das Ergebnis bringt die Entwicklung langlebiger Lichtquellen voran, doch ein elektrisch betriebener Perowskit-Laser ist damit noch nicht verwirklicht.
Vilnius (Litauen). Laser aus Perowskiten könnten sich künftig vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellen lassen. Denn ihre Halbleiterschichten können aus Lösungen aufgebracht werden und zeigen interessante optische Eigenschaften. Bisher steht dem praktischen Einsatz jedoch ihre Empfindlichkeit entgegen: Feuchtigkeit und andere Umwelteinflüsse können die Materialstruktur verändern und damit auch die Lichtemission beeinträchtigen.
Für einen Laser genügt es außerdem nicht, dass eine Schicht hell leuchtet. Das Material muss Licht kontrolliert verstärken und möglichst auf eine schmale Wellenlänge konzentrieren. Dass dies auch auf kleinsten Abmessungen möglich ist, zeigten bereits kompakte Perowskit-Nanolaser. Offen bleibt aber, wie sich solche Lichtquellen dauerhaft stabil halten lassen.
Forscher der Vilnius University (VU) um Dr. Abdul Mannan Majeed haben nun die Zusammensetzung eines Perowskit-Lasers gezielt verändert. Ausgangspunkt war Cäsium-Blei-Iodid, dessen Bleianteil sie teilweise durch Zink ersetzten. Für die später eingesetzte Laserschicht verwendeten sie die Verbindung CsZn₀,₄Pb₀,₆I₃, bei der Zink 40 Prozent der entsprechenden Metallplätze einnimmt.
„Perowskite sind derzeit beliebt, weil sie sich mithilfe von Beschichtungsverfahren leicht herstellen lassen. Zu diesem Thema wurden bereits etliche Arbeiten veröffentlicht, darunter auch in sehr guten Fachzeitschriften. Wir beschlossen, unsere eigenen Perowskite mit demselben Rotationsbeschichtungsverfahren in einer Stickstoffatmosphäre herzustellen, dabei aber den Bleianteil zu verringern, indem wir einen Teil des Bleis durch Zink ersetzen“, erklärt Dr. Patrik Ščajev von der VU.
Die Ausgangslösung wurde auf einer rotierenden Unterlage zu einem dünnen Film verteilt. Zusätzlich mischte das Team drei Prozent Polyvinylpyrrolidon (PVP) bei. Der Kunststoff verbesserte die Qualität der hergestellten Perowskitschicht und sollte so auch die spätere Laserfunktion stabilisieren.
Um die Proben zu prüfen, untersuchten die Wissenschaftler ihre Lichtemission unter anderem mit konfokaler Mikroskopie. Dabei wird die Strahlung aus winzigen Bereichen der Schicht getrennt erfasst. So lässt sich erkennen, ob unterschiedliche Stellen gleichmäßig leuchten und wo sich mögliche Veränderungen zeigen.
„Dieses ausgesandte Licht hängt vor allem von den chemischen Eigenschaften und der Zusammensetzung des Materials ab. Es ist eine Möglichkeit, zu messen, wie die Umgebung Perowskite beeinflusst. Mit diesen Tests können wir besser verstehen, wo und wann der Abbau schneller oder langsamer verläuft, welche Stellen sich verändern und welche nicht, und so weiter. Anders ausgedrückt überprüfen wir, ob die von unseren Kollegen hergestellten Perowskite tatsächlich die Eigenschaften besitzen, die wir von ihnen erwartet haben“, erklärt Dr. Augustas Vaitkevičius von der VU.
Für die Laserfunktion erzeugten die Forscher anschließend mit einem weiteren Laser ein feines Gitter direkt in der Perowskitschicht. Es sorgt als sogenannte verteilte Rückkopplung dafür, dass bestimmte Lichtwellen bevorzugt verstärkt werden. Eine zusätzliche Behandlung mit kontinuierlichem Laserlicht half, Schäden aus der Gitterherstellung zu vermindern und die Ausgabe des Lasers zu stabilisieren.
Der so hergestellte Prototyp emittierte bei Raumtemperatur tiefrotes Laserlicht mit einer Wellenlänge von 709 Nanometern. Dafür war eine Anregungsenergie von mindestens 55 Mikrojoule pro Quadratzentimeter nötig. Die Emissionslinie war mit rund 0,35 Nanometern zudem eng begrenzt, wie die Universität in einer späteren Zusa