| Tytuł: | Ekscytonowe projektowanie perowskitowych laserów i diod luminescencyjnych |
| Kierownik projektu: | Małgorzata Wierzbowska |
| Laboratorium: | Laboratorium Fizyki Półprzewodników (NL-2) |
| Nazwa konkursu, programu: | OPUS |
| Numer projektu: | 2019/33/B/ST8/02105 |
| Data realizacji: | 06.02.2020 05.02.2024 |
| Podmiot realizujący: | Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk |
| Typ realizacji projektu: | Projekt realizowany samodzielnie |
| Przyznane środki ogółem: | 335 920 zł |
| Przyznane środki dla podmiotu: | 335 920 zł |
| Instytucja finansująca: | Narodowe Centrum Nauki |
Opis projektu
| W tym projekcie będziemy zajmować się projektowaniem hybrydowych organiczno-nieorganicznych perowskitów, 3D oraz niskowymiarowych, z pożądanymi wartościami parametrów ekscytonowych, dla których pracują lasery (niskie wartości energii wiązania ekscytonu Eb), LED-y (średnie Eb) i baterie słoneczne (nieintencjonalnie, niskie Eb). Drugim założeniem jest poszukiwanie ekscytonów o krótkim czasie życia, w celu zastosowań w szykiej komunikacji optoelektronicznej. Trzecim, Ii najbardziej ambitnym, punktem jest skonstruowanie lasera pompowanego elektrycznie, gdyż do tej pory stanowi to problem w grupie perowskitów, w przeciwieństwie do szybkiego rozwoju laserów pompowanych optycznie. Organiczno-nieorganiczne perowskity mają formułę chemiczną ABX3, gdzie A=Cs,Rb,methylammonium(MA),formamidinium(FA), B=Pb,Sn, and X=Cl,Br,I. Perowskity są kryształami jonowymi, z kationami A+ and B2+ oraz anionami X−. W LED-ach, warstwy perowskitowe są efektywnymi centrami rekombinacji nośników. Są one pomiędzy warstwą transportującą elektrony (typu n) oraz warstwą transportującą dziury (typu p). Lasery muszą mieć lustra (wnęki rezonansowe) aby zwielokrotnić emisję spontaniczną fotonów. Jednakże, perowskity posiadają wysoki współczynnik odbicia światła przy powierzchni zewnętrznej (2.2-2.55) oraz małe kąty krytyczne. To pozwala na zwielokrotnienie emisji światła bez użycia wnęk jeśli struktury są niskowymiarowe. Kompaktowość jest również dobroczynna dla energii wiązania ekscytonów (czyli jasności) oraz dla niskiego prądu progowego. Wiele diod luminescencyjnych I laserów pompowanych optycznie zostało skonstruowanych od roku 2014. Oba typy laserów pulsacyjny I ciągły są osiągalne. Jednak pierwsym polem zastosowań tych materiałów były baterie słoneczne, z postępem w ich wydajności od 3.8% w 2009 do 23.7% w 2018 (krzemowe mają wydajność 26.6%). Przerwa optyczna w perowskitach zależy głównie od halogenku: MAPbCl 3 oraz MAPbBr3 mają przerwę prostą 2.97 eV (417 nm) oraz 2.23 eV (556 nm), odpowiednio, natomiast MAPbI3 ma przerwę lekko skośną 1.55-1.7 eV (730-800 nm). Większe przerwy 3.3 eV (376 nm) są dostępne w podwójnych perowskitach ABi(Ag,Cu)X6, za to o wiele mniejsza, <0.5 eV (>2480 nm), jest w Li3SPbI3. Mieszanie perowskitów nie tylko udostepnia cały pośredni zakres (kolor lasera), ale także efektywnie wzmacnia stabilność urządzeń. Dodatkowo, wymiana halogenków może służyć jako sposób wprowadzania struktur niskowymiarowych, czyli zwiększać efektywność przejść promienistych. Do dziś, w perowskitach i ich nanostrukturach zmierzono szeroki zakres energii ekscytonów 43-376 meV, i to nie jest jeszcze ostatnie słowo. My chcemy rozszerzyć powyższe granice. Nasz plan zakłada zmiany chemiczne (domieszkowanie) i strukturalne (niskowymiarowe perowskity) w celu projektowania materiału tak by promień ekscytonów był mały a energia wiązania wysoka. Ponadto, będziemy przesuwać poziomy energetyczne kationów A w odniesieniu do poziomów “ramy” BX3 , oczekując lepszego wstrzykiwania nośników do molekuł, w celu skonstruowania lasera pompowanego elektrycznie. Pomimo, iż wnęki rezonansowe nie są konieczne w nanostrukturach, to laser polarytonowy (z slnym sprzężeniem ekscyton-foton) jest łatwiejszy do otrzymania przy zastosowania dobrych luster, gdzie słowo “dobre” oznacza stany brzegowe izolatorów topologicznych. Ta idea jest obiecująca, gdyż w perowskitach znaleziono zarówno stany topologiczne przy domieszkowaniu lub pod ciśnieniem jak i stożki Dirac'a w warstwach, poprzez odpowiednie cięcie kryształu. Będziemy używać metody funkcjonałów gęstości oraz metod wielociałowych. Pierwsza służy jako żródło parametrów wejściowych dla tych bardziej zaawansowanych. Ekranowanie elektronu poprzez pozostałe elektrony jako odpowiedź na absorpcję światła jest również uwzględnione. Z tymi narzędziami można otrzymać wiele parametrów ekscytonowych, widma optyczne i prąd progowy dla akcji laserowej. Jako uzupełnienie wiedzy o strukturze pasmowej otrzymywanej z funkcjonałów gęstości. |