Explorar as propriedades quânticas dos fótons para optoeletrônica requer fontes de luz altamente eficientes. Os nanocristais de perovskita trihalide de chumbo exibem uma série de propriedades que os tornam candidatos promissores como fontes de luz. Embora o acoplamento de emissores quânticos com cavidades nanofotônicas possa aumentar significativamente a eficiência, esta abordagem não foi explorada com esses nanocristais.

Agora, um grupo de pesquisadores da Universidade de Maryland e da ETH Zurich demonstrou uma abordagem simples para o acoplamento de nanocristais de perovskita de tribrometo de césio sintetizado por solução (CsPbBr3) a cavidades fotônicas de nitreto de silício (SiN). A emissão de luz resultante à temperatura ambiente é aumentada em uma ordem de magnitude acima do que as perovskitas podem emitir sozinhas. O candidato ao doutorado Zhili Yang e outros relatam seus resultados esta semana em Cartas de Física Aplicada .

"Nosso trabalho mostra que é possível aumentar a emissão espontânea de nanocristais de perovskita coloidal usando uma cavidade fotônica, "Yang disse." Nossos resultados fornecem um caminho para fontes de luz compactas no chip com consumo de energia e tamanho reduzidos. "

Para acoplar os nanocristais à cavidade fotônica, o grupo solta nanocristais de perovskita em solução de tolueno na cavidade de SiN. Eles então animaram o dispositivo com um laser pulsado, levando à emissão de fótons dos nanocristais.

O uso de soluções para fazer emissores quânticos coloidais contrasta com a fabricação de materiais epitaxiais, um processo amplamente utilizado que envolve o crescimento de camadas cristalinas em um substrato existente. Em vez de, Yang disse, pode-se depositar nanocristais coloidais diretamente usando solventes mais facilmente em diferentes tipos de wafers.

Materiais semelhantes de perovskita já são promissores em ambientes fotovoltaicos, e também exibem uma série de propriedades que os tornam candidatos promissores para dispositivos emissores de luz.

"Os nanocristais têm uma baixa densidade de defeitos que podem aprisionar portadores [elétrons e buracos], produzindo uma taxa de decaimento não radiativo muito baixa e uma alta eficiência de fotoluminescência à temperatura ambiente, "Yang disse.

As tentativas de emitir luz com materiais epitaxiais geralmente não conseguem cobrir com eficiência o espectro de luz visível, com a faixa de comprimento de onda no azul-verde sendo particularmente problemática. O dispositivo que a equipe demonstrou exibiu emissão centrada em 510 nanômetros no verde.

"O grande desafio deste método, Contudo, é que você tem que encontrar uma concentração [densidade] muito otimizada dos cristais na superfície da cavidade, "Yang disse." Não pode ser muito condensado, senão será prejudicial à cavidade e pode levar à não conformidade. "

Os nanocristais e nanocavidade acoplados apresentaram uma melhoria dez vezes maior no brilho da emissão em comparação com os emissores sozinhos. Resultou em um aumento da taxa de emissão espontânea de 2,9, refletindo um aumento de quase três vezes na eficiência de emissão de fótons dentro da cavidade em comparação com perovskitas em superfícies não padronizadas.

Os resultados são uma bênção para a optoeletrônica, Yang disse, um campo que potencializa os efeitos quânticos dos fótons em materiais eletrônicos para ajudar a construir circuitos ópticos que não sofrerão com algumas das ineficiências de dispositivos puramente eletrônicos, como aquecimento. Dispositivos optoeletrônicos também desfrutam de velocidades de processamento mais rápidas e larguras de banda de sinal mais amplas, e pode um dia ser usado em computação quântica e redes de comunicação quântica.