Çift boşluklu bir perovskit cihazdan elektrikle çalıştırılan lazer

Malzemeler

Sezyum iyodür (CsI, %99,99), molibden trioksit (MoO₃), silikon dioksit (SiO₂) ve titanyum dioksit (TiO₂) Sigma Aldrich'ten satın alındı. Polietilenimin (ortalama molekül ağırlığı 50.000, H'de %37'lik çözelti)₂O) J&K Scientific'ten satın alındı. Kurşun iyodür (PbI₂%99,99), formamidinyum bromür (FABr, %99,99) ve formamidinyum iyodür (FAI, %99,99) TCI'dan satın alınmıştır. Sülfonamid (SFA), Macklin Biochemical'dan satın alındı. Poli(9,9-dioktilfloren-ortak-N-(4-bütilfenil)-difenilamin) (TFB) ve çinko oksit (ZnO) nanokristalleri (H'de ağırlıkça %10)₂O) Xian Yuri Solar'dan satın alındı. Dimetil sülfoksit (DMSO), gama-bütirolakton (GBL), etil asetat, etanol, izopropanol alkol, N,N-dimetilformamid (DMF) ve klorobenzen (CB), Aladdin'den satın alındı. Altın topakları Hebei Jiuyue New Material Technology'den satın alındı. Tüm kimyasallar daha fazla saflaştırılmadan alındığı gibi kullanıldı.

Perovskit öncü çözeltisinin hazırlanması

C'ler_0,5FA_0,5PbI₂Br öncü çözeltisi CsI, PbI'nin çözülmesiyle hazırlandı.₂FABr ve SFA'nın DMF'de molar oranı 0,5:1:0,5:0,06'dır. Pb konsantrasyonu²⁺ öncül çözeltide 0.11 mol l idi⁻¹. Tek kristal büyümesi için FAI ve PbI₂ farklı molar oranlarda karıştırılmış bir GBL/DMSO solventi (hacim oranı 4:1) içerisinde tamamen çözülerek 1,2 M perovskit öncü solüsyonu elde edildi. Öncü çözelti oda sıcaklığında bir N'de karıştırıldı.₂- torpido gözü yaklaşık 2 saat süreyle dolduruldu. Çözelti, kullanılmadan önce politetrafloroetilen filtreler (0,22 μm) ile filtrelendi.

DBR'lerin imalatı

Alternatif silikon dioksit katmanları (SiO₂, N= 1,478) ve titanyum nitrür (TiO₂, N= 2,498), bölmesi bir nitrojen torpido gözü içine alınmış bir e-ışın buharlaştırıcısı kullanılarak DBR'ler oluşturmak üzere cam substratlar üzerine biriktirildi. Mikro boşluk I'deki DBR1, 450-750 nm dalga boyu aralığında yüksek yansıma için hedeflendi, böylece yaklaşık 680 nm'deki emisyon yarı saydam Au elektroduna yansıtılıp yönlendirilebildi. DBR1 yaklaşık 30 çift SiO'dan oluşur₂/TiO₂kalınlıkları her SiO çifti için 115 nm ve 68 nm olacak şekilde kontrol edilir₂ ve TiO₂ sırasıyla katmanlar. Mikro boşluk II'deki DBR2, 750-1.000 nm'de yüksek yansıma (>%98) ve 680 nm'nin altında yüksek geçirgenlik (>%90) gösterdi. DBR2'yi üretmek için yaklaşık 20 çift SiO₂/TiO₂ kalınlıkları her SiO çifti için 142 nm ve 85 nm olacak şekilde kontrol edilerek biriktirildi₂ ve TiO₂ sırasıyla katmanlar. Mikro boşluk II'deki DBR3, optimize edilmemiş cihazlardaki DBR2 ile aynı tasarımı paylaşabilir. Optimize edilmiş cihazlarda DBR3, 620–870 nm'de yüksek yansıma (>%98) sağlayacak şekilde yeniden tasarlandı. Optimize edilmiş DBR3'ü üretmek için yaklaşık 20 çift SiO₂/TiO₂ kalınlıkları her SiO çifti için 125 nm ve 75 nm olacak şekilde kontrol edilerek biriktirildi₂ ve TiO₂ sırasıyla katmanlar.

Tek kristalli perovskit mikro boşluğunun imalatı

Altın şeritler (yaklaşık 0,2 mikron kalınlık), aralayıcı olarak DBR'nin iki kenarına buharlaştırıldı. Bir çift DBR ve cam birbirine bastırıldı ve boş kanallar oluşturacak şekilde bir klipsle birbirine bağlandı. Bir damla FAPbI₃ Perovskit öncü çözeltisi (5 ul) daha sonra DBR/cam çiftinin kenarından enjekte edildi ve kılcal kuvvet nedeniyle kanallara nüfuz etti. FAPbI'nin büyümesi₃ perovskit tek kristalleri bir N'de tamamlandı₂- dolu torpido gözü. Numunelerin tavlama sıcaklığı, dakikada 2 °C'lik bir hızla 60 °C'den 130 °C'ye kademeli olarak artırıldı.⁻¹daha sonra 12 saat boyunca 130 °C'de tutuldu. Son olarak numunelerin sıcaklığı kademeli olarak oda sıcaklığına kadar soğutuldu. Kristal büyümesinin toplam süresi yaklaşık 2 gündü. Cam alt tabaka ince bir tıraş bıçağı kullanılarak çıkarıldı. FAPbI₃ DBR üzerindeki tek kristal daha sonra tek kristalin üzerine başka bir DBR yerleştirmek için bir e-ışın buharlaştırıcısına aktarıldı ve mikro boşluk II'nin üretimi tamamlandı. FAPbI'nin optimum kalınlığı₃ tek kristallerin yaklaşık 180 nm olduğu bulundu.

Entegre çift boşluklu perovskit lazerlerin imalatı

DBR/cam substratlar, ultrasonikasyon altında deiyonize su, aseton ve izopropanol kullanılarak sırayla temizlendi. Substratlar bir nitrojen püskürtme tabancasıyla kurutuldu ve kullanımdan önce 15 dakika boyunca UV-ozona maruz bırakıldı. ZnO nanoparçacıkları, DBR substratları üzerine 5.000 rpm'de 45 saniye süreyle döndürerek kaplamaya tabi tutuldu ve ardından 150 °C'de 10 dakika süreyle tavlandı. Daha sonra, bir PEIE çözeltisi (izopropanol içinde ağırlıkça %0,04), ZnO katmanının üzerinde 5.000 rpm'de 45 saniye boyunca döndürerek kaplamaya tabi tutuldu, ardından 100 °C'de 10 dakika boyunca tavlama yapıldı. Ortam sıcaklığına kadar soğutulduktan sonra numuneler bir N kabına aktarıldı.₂- dolu torpido gözü. Perovskit öncü çözeltisi, 60 saniye boyunca 5.000 rpm'de PEIE kaplı ZnO substratları üzerine döndürerek kaplamaya tabi tutuldu, ardından 100 °C'de 10 dakika boyunca tavlama yapıldı. Daha sonra bir TFB çözeltisi (12 mg ml⁻¹ klorobenzen içinde) 45 saniye boyunca 4.000 rpm'de döndürerek kaplamaya tabi tutuldu. Daha sonra 7 nm MoO_X ve 20 nm Au, yarı şeffaf elektrotu oluşturmak için yüksek vakum altında bir gölge maskesi aracılığıyla sırayla buharlaştırıldı. Ortaya çıkan mikro boşluklu PeLED'in (mikro boşluk I) üst yüzeyi UV epoksi (NOA 81) ile kaplandı. Bu adımı takiben FAPbI içeren mikro boşluk II₃ tek kristal, ITO ve Au'nun üst üste binen alanının üstüne konumlandırılacak şekilde mikro boşluk I'in üstüne yerleştirildi. Cihaz daha sonra iki mikro boşluk arasında güvenilir bir bağ oluşturmak için 30 saniye boyunca UV ışığına maruz bırakıldı ve entegrasyon süreci tamamlandı.

Perovskit tek kristaller için yüzey morfolojisi ölçümleri

Perovskit tek kristallerinin yüzey morfolojisi, alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (Hitachi, SU70 SEM) kullanılarak incelendi. Numunelerin yüzey pürüzlülüğü, dokunma modunda bir atomik kuvvet mikroskobu (Bruker, Multimode-8) kullanılarak karakterize edildi. Perovskit tek kristallerinin kalınlığı, bir kalem profilometresi (Bruker, DektakXT) kullanılarak ölçüldü.

Taramalı transmisyon elektron mikroskobu deneyleri

Entegre çift boşluklu lazer cihazlarının kesit görüntülerini toplamak için küresel sapmaları düzeltilmiş taramalı transmisyon elektron mikroskobu (FEI, Titan ChemiSTEM) kullanıldı. HAADF-STEM ölçümlerine yönelik numuneler, çift ışınlı odaklanmış iyon ışın sistemi (Quata 3D FEG) kullanılarak hazırlandı.

XRD ölçümleri

Numunelerin standart XRD ölçümleri Cu Ka ile Shimadzu XRD 7000 kullanılarak yapıldı._1,2 radyasyon (ben= 1,541 Å). Ölçümler, 10° < 2 tarama aralığıyla sürekli modda gerçekleştirildi.Ben< 60° ve 5° dk tarama hızı⁻¹. 2B kırınım görüntüleri, 2B dedektörlü (D8 Venture, Bruker) tek kristalli bir X-ışını kırınım ölçer kullanılarak toplandı. Tek kristallerden kazınan tozlar kuvars bir substrat üzerine yerleştirildi. Monokromatik X-ışını ışını tozların üzerine odaklandı. Bragg yansımaları, 60 saniyelik bir maruz kalma süresine sahip bir MAR-165 yük bağlantılı cihaz detektörü kullanılarak tespit edildi.

Fotolüminesans ve optik yansıma ölçümleri

FAPbI'yi uyarmak için 405 nm'lik sürekli dalga lazeri kullanıldı₃ tek kristaller ve C'ler_0,5FA_0,5PbI₂Br polikristalin filmler. Fotolüminesans spektrumları, yüksek hassasiyetli bir spektrometre (QE-Pro, Ocean Optics) ile elde edildi. DBR'lerin yansıması özel olarak oluşturulmuş bir kurulumla ölçüldü. Halojen lambadan gelen beyaz ışık, normalde Y tipi fiber üzerindeki bağlantı noktalarından birinden DBR'lere düşüyordu. Yansıyan ışık, Y tipi fiber üzerindeki başka bir bağlantı noktasından toplandı ve bir spektrometreye (USB 4000, Ocean Optics) yönlendirildi. Optik yansıma için referans örneği olarak alüminyum bir ayna kullanıldı.

DC ve darbeli işlemler altında mikro boşluklu PeLED'lerin karakterizasyonu

DC işlemi için mikro boşluklu PeLED'ler, bilgisayar kontrollü bir kaynak ölçer (Keithley 2450) tarafından çalıştırıldı. Gerilim, adım başına 0,2 V oranında 1 V'tan 7 V'a çıkarıldı. Eş zamanlı olarak, mikro boşluklu PeLED'den yarı şeffaf Au elektrot yoluyla yayılan EL, bilgisayar kontrollü bir optik güç ölçer (Newport 1936-R) ile birlikte kullanılan bir silikon fotodiyot ile entegre bir küre içinde kalibre edilmiş bir fotodetektör (819D-SL-2-CAL, Newport) kullanılarak ölçüldü. PeLED'lerin EL spektrumları, entegrasyon küresinin başka bir portunda fiber bağlantılı bir spektrometre (QE-Pro, Ocean Optics) kullanılarak ölçüldü. EQE, yayılan fotonların toplam sayısının birim zaman başına enjekte edilen toplam elektron sayısına bölünmesiyle elde edildi. Ölçümler karanlıkta ve ortam koşullarında yapıldı.

Darbeli çalışma için, 1,7 V DC ofset öngerilimiyle voltaj darbeleri (darbe genişliği 1 μs, tekrarlama hızı 100 Hz) sağlamak için bir darbe üreteci (AVTECH 1010-B) kullanıldı. Cihazlardan yayılan optik güç, bir silikon fotodiyot (FDS1010, Thorlabs) kullanılarak ölçüldü. Fotodiyot, özel yapım geniş bant genişliğine sahip bir transempedans amplifikatörüne bağlandı. Güçlendirilmiş sinyal daha sonra fotodiyotun duyarlılığına dayalı ortalama optik güç çıkışını elde etmek için bir osiloskopa (MDO34, Tektronix) gönderildi. Geçici profilleri ölçmek için PeLED, 2 ohm'luk bir dirençle seri olarak bağlandı. Direnç üzerindeki geçici voltaj sinyali, bir voltaj amplifikatörü (FEMTO DHPVA-101) tarafından güçlendirildi ve osiloskop tarafından toplandı. Geçici akım sinyali, voltajın dirence bölünmesiyle elde edildi.

PeLED'lerin açısal emisyon profillerinin karakterizasyonu

Açısal emisyon profillerini ölçmek için PeLED, fiber bağlantılı bir spektrometre (QE-Pro, Ocean Optics) sabit bir mesafeye yerleştirilerek dönme tablasının merkezine yerleştirildi. Sahne döndürülürken farklı açılardaki EL spektrumları ölçüldü.

Optik olarak pompalanan kalıcı deneyler

Microcavity II, 10 Hz tekrarlama hızında modüle edilmiş 405 nm sürekli dalga lazerinden 1 µs'lik optik darbelerle pompalandı. Sürekli dalga lazeri, 5 V genlikli kare dalgalar üreten rastgele bir dalga üreteci ile senkronize edildi. Uyarım ışını, uyarılma yoğunluğunu ayarlamak için ayarlanabilir bir nötr yoğunluk filtresi (Thorlabs, NDC-50C-2M-B) aracılığıyla yönlendirildi. Işının küçük bir kısmı, pompa gücünün izlenmesi için bir fotodiyota (Thorlabs, DET110) yönlendirildi. Işının geri kalanı ters bir mikroskoba yönlendirildi ve ardından 50x'lik bir objektif aracılığıyla numuneye odaklanarak yaklaşık 18 μm'lik bir nokta boyutu oluşturuldu. Lazerden çıkan çıkış emisyonu, 0,08 nm spektral çözünürlüğe sahip fiber bağlantılı bir spektrometre (Maya 2000, Ocean Optics) kullanılarak ölçüldü. Ölçümler ortam koşulları altında yapıldı (sıcaklık yaklaşık 22°C; bağıl nem yaklaşık %50). Femtosaniye lazerle pompalanan lazer için, optik uyarım (400 nm; darbe süresi yaklaşık 270 fs; tekrarlama hızı 50 kHz), 1.030 nm Yb:KGW lazer (Pharos, Işık Dönüşümü) tarafından pompalanan bir optik parametrik amplifikatör (Orpheus-F, Işık Dönüşümü) kullanılarak üretildi.

Elektrikle çalışan lazerin karakterizasyonu

Çift boşluklu perovskit cihazı bir puls üreteci (AVTECH 1010-B) tarafından çalıştırıldı. Çift boşluklu lazerin çıkış emisyonu, yüksek çözünürlüklü fiber bağlantılı bir spektrometre (Maya 2000, Ocean Optics) kullanılarak ölçüldü. Gerilim darbelerinin genliği ayarlanarak farklı akım yoğunlukları elde edildi. Uzak alan emisyon ışınları, yüksek çözünürlüklü bir ışın profili oluşturucu CCD kamera (Thorlabs, BC207VIS) kullanılarak yakalandı. Emisyonun polarizasyon özellikleri, dönebilen bir doğrusal polarizasyon plakası yoluyla ölçülen emisyon yoğunluklarına dayalı olarak karakterize edildi. Stabilite ölçümleri için, lazer cihazı voltaj darbeleri (tepe akım yoğunluğu 163 A cm) ile çalıştırıldı.⁻²darbe süresi: 1 μs ve tekrarlama oranı 10 Hz), çıkış emisyonu, 0,08 nm spektral çözünürlüğe sahip fiber bağlantılı bir spektrometre (Maya 2000, Ocean Optics) kullanılarak sürekli olarak ölçülür. Ölçümler ortam koşulları altında yapıldı (sıcaklık yaklaşık 22°C; bağıl nem yaklaşık %50).

Optik güç dağıtımının simülasyonu

Optik simülasyon, LightTools ticari yazılımı kullanılarak gerçekleştirildi. Perovskit tek kristalin (mikro boşluk II'de) düzlemindeki optik güç (ışınlama) dağılımı, hem tek boşluklu alt emisyon hem de çift boşluklu üst emisyon cihazları için simüle edildi. Simülasyon sırasında, 2D alıcılar PeLED aktif alanının (uyarma kaynağı olarak hizmet veren) düzlemine ve mikro boşluk II içindeki perovskit tek kristaline yerleştirildi. PeLED aktif alanı, çok sayıda nokta ışık kaynağının bir birleşimi olarak kabul edildi ve 1 μm x 1 μm bölümlere bölündü. Çıkış ışınımı 100 değerine normalleştirildi. Her nokta kaynağı için, açısal emisyon profili olarak ya bir Lambert profili ya da bir mikro boşluk açısal profili atandı. Tek kristal katman düzleminde 2 boyutlu alıcıya ulaşan optik güç hesaplandı. Daha sonra, genel dağılımı elde etmek için her konum için tüm fraksiyonel optik güç entegre edildi.

Frekans tepkisi ölçümleri

Çift boşluklu lazer cihazı, isteğe bağlı bir dalga üreteci tarafından sağlanan, çeşitli frekanslara sahip bir kare dalga voltaj sinyali ile çalıştırıldı. Cihazdan çıkan emisyon, fiber bağlantılı bir çığ fotodetektörüne (Thorlabs, APD430A2/M) yönlendirildi. Sinyal bir osiloskopa (MDO34, Tektronix) beslendi. Sinyallerin genlikleri farklı frekanslarda kaydedildi. 3 dB frekansı veya genliğin orijinal değerinin yarısına düştüğü frekansa karşılık gelen bant genişliği. Entegre lazerin frekans tepkisi özellikleri de benzer şekilde ölçüldü ancak düşük görev döngüsü (%10) darbe katarı tarafından yönlendirildi.