Analisis Spektrum Penuh dari Nanolaser Plasmon Permukaan Berbasis Perovskit

Hasil dan Diskusi

Nanocavity yang diusulkan menunjukkan ambang batas rendah dan kurungan modal yang kuat, digambarkan pada Gambar. 1a. Kami menentukan mode resonansi untuk menyelidiki karakteristik rongga. Profil modal dari nanocavity yang menampilkan NW perovskite pada SiO₂ Pelat /Ag disajikan pada Gambar. 1. Kami membuktikan bahwa pandangan melintang dari profil mode resonansi |E | (b) pada antinode profil di sepanjang z -sumbu (x -y bidang), (c) di tengah celah tipis (di bawah NW) (x -z pesawat), dan (d) dengan membagi dua NW (y -z pesawat), masing-masing. Seperti yang digambarkan pada Gambar. 1b, profil mode rongga memang sangat dibatasi dengan fitur mode celah hibrid terpandu. Pola resonansi yang diilustrasikan pada Gambar. 1d mengungkapkan karakteristik mode bocor fotonik NW (lebar di bawah dimensi cutoff) dan gelombang plasmon permukaan yang merambat. Selain pola gelombang berdiri yang jelas di sepanjang sumbu panjang (z -arah) digambarkan pada Gambar. 1c, distribusi lateral mode (sepanjang x -arah) yang ditentukan oleh NW kecil dengan lebar skala nano juga cukup terbatas, yang sesuai dengan karakteristik mode plasmonik.

Karakteristik Plasmonic Hybrid Perovskite Waveguides

Untuk menyelidiki karakteristik penguat plasmonik di daerah panjang gelombang inframerah-dekat yang terlihat, fungsi dielektrik versi hibrida MAPbCl yang didoping Br₃ (MAPb(Br_x Kl_1-x )₃ ) dan MAPbBr yang didoping-I₃ (MAPb(Saya_y K_1-y )₃ ) diperiksa. Dalam MAPbX perovskit kristal tunggal₃ , konfigurasi elektronik kompleks berasal dari hibridisasi gugus organik, kation timbal, dan keadaan anionik halogen yang menyebabkan banyak transisi elektronik. Dalam kisi MAPbX yang didoping₃ , dopan dan kekosongan, yang diperkenalkan selama reaksi pertukaran ion, dapat menurunkan kualitas kristal dan mengolesi keadaan elektronik diskrit. Oleh karena itu, alih-alih melakukan perhitungan pita prinsip pertama yang ketat [36] untuk mengungkapkan setiap puncak serapan yang berbeda pada hubungan dispersi fungsi dielektrik, kami menyatakan bahwa fungsi dielektrik ϵ sebagai fungsi sederhana dari celah pita energi emisi (E _g ) dari perovskit campuran (MAPb(Br_x Kl_1-x )₃ ) dengan berbagai komposisi doping (x ). Aturan Lumut [37], \( \epsilon (x)=a+b\sqrt{E_g(x)} \), oleh karena itu diadopsi. Fungsi dielektrik ϵ terkait dengan celah pita energi emisi E _g dari perovskit campuran (MAPb(Br_x Kl_1-x )₃ ) dengan komposisi doping x . Dalam rumus, fungsi dielektrik ϵ (x ) dari perovskit murni MAPbCl₃ (x =0) dan MAPbBr₃ (x =1) pada masing-masing panjang gelombang emisi yang sesuai 425 dan 555 nm [30] digunakan untuk menentukan konstanta pemasangan a dan b . Celah pita energi perovskit murni disimpulkan dari panjang gelombang emisi. Kami kemudian memperoleh celah pita energi campuran perovskit dari hubungan \( {E}_g^{\mathrm{MAPb}{\left({\mathrm{Br}}_x{\mathrm{Cl}}_{1-x} \right)}_3}(x)=\left(1-x\right){E}_g^{\mathrm{MAPb}{\mathrm{Cl}}_3}+x{E}_g^{\mathrm{ MAPb}{\mathrm{Br}}_3} \) [38]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, indeks bias kompleks (n , k ) dari MAPb(Br_x Kl_1-x )₃ diturunkan dari fungsi dielektrik, \( n(x)+ ik(x)=\sqrt{\epsilon (x)} \), pada setiap komposisi doping x . Dengan peningkatan kandungan Br, doping MAPb(Br_x Kl_1-x )₃ menunjukkan celah pita energi pergeseran merah dan memancarkan pada panjang gelombang yang lebih panjang. Prosedur yang sama diterapkan pada penurunan (n , k ) dari MAPb(I_y K_1-y )₃ dengan komposisi doping saya y , seperti yang digambarkan pada bagian kanan Gambar 2. Campuran MAPbBr₃ (y =0) dan MAPbI₃ (y =1), MAPb(I_y K_1-y )₃ memancarkan pada panjang gelombang panjang dari 555 hingga 800 nm. Indeks bias perovskit yang didoping digambarkan pada Gambar. 2 dan digunakan dalam perhitungan berikut. Indeks bias perovskit murni MAPbCl₃ , MAPbBr₃ , dan MAPbI₃ di komposisi x =0, x =1 (y =0), dan y =1 adalah (2.2, 0,013), (2,30, 0,01), dan (2,49, 0,0009). Mereka memancarkan pada panjang gelombang masing-masing pada 425, 555, dan 800 nm.

Sifat dispersi dari komposisi hibrida MAPbX₃ . Indeks bias kompleks (n , k ) perovskit hibrida MAPb(Br_x Kl_1-x )₃ (garis hijau) dan MAPb(I_y K_1-y )₃ (garis merah) dari berbagai komposisi (x dan y ) memancarkan pada panjang gelombang di atas spektrum tampak dan inframerah. Indeks bias perovskit murni MAPbCl₃ , MAPbBr₃ , dan MAPbI₃ di komposisi x =0, x =1 (y =0) dan y =1 adalah (2.2, 0,013), (2,30, 0,01), dan (2,49, 0,0009). Mereka memancarkan pada panjang gelombang λ =425, 555 dan 800 nm

Selanjutnya, kami mempelajari karakteristik mode celah plasmonik mendasar, yang dibentuk oleh kopling antara mode terpandu fotonik yang bocor (di bawah frekuensi cutoff) dari NW perovskit dan gelombang permukaan yang terkonsentrasi terutama pada antarmuka celah dan logam. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 3, kami menentukan modal loss dan faktor kurungan [24] dari mode plasmonic hibrid terpandu untuk pandu gelombang—perovskit campuran NW, MAPb(Br_x Kl_1-x )₃ dan MAPb(I_y K_1-y )₃ komposisi doping x dan y dari 0 hingga 1 pada SiO₂ /Ag, SiO₂ /Al atau SiO₂ /Au pelat dengan ketebalan celah t _g pada panjang gelombang emisi yang sesuai. Kami menentukan mode terpandu yang sesuai dengan rentang panjang gelombang pancaran yang besar, dari 425 hingga 555 nm untuk MAPb perovskit(Br_x Kl_1-x )₃ dan dari 555 hingga 800 nm untuk MAPb(I_y K_1-y )₃ . Dalam perhitungan ini, indeks bias kompleks perovskit yang didoping adalah (n , k ) seperti yang digambarkan pada Gambar. 2. Indeks bias dispersi lapisan logam, Al, Ag, dan Au, diadopsi dari data percobaan sebelumnya [39].

Kehilangan modal dan faktor kurungan mode terpandu. a , c Kehilangan modal dan b , d faktor kurungan mode celah plasmonik terpandu pada SiO2 tetap₂ ketebalan celah, t _g =0 (garis biru), 5 (garis merah), dan 15 (garis hijau) nm, sesuai dengan perovskit yang didoping dalam spektrum photoluminescent dari λ =425 hingga 800 nm. MAPb perovskit hibrida(Br_x Kl_1-x )₃ WG pada Ag (garis padat) dan pelat Al (garis putus-putus putus-putus) dihitung seperti yang ditunjukkan pada (a , b ). Mereka dari MAPb perovskit(I_y K_1-y )₃ WG pada pelat Ag (garis putus-putus), Al (garis putus-putus) dan Au (garis putus-putus) diselesaikan di λ =555 hingga 800 nm seperti yang ditunjukkan pada (c , d ). Sisipan dalam (b , d ) mengungkapkan profil modal |E | mode celah plasmonik terpandu pada SiO₂ -meliputi pelat Ag dari t _g =5 nm untuk komposisi perovskit yang didoping x =0 (lingkaran kuning), x =0,58 (lingkaran merah), y =0 (lingkaran oranye), dan y =0,59 (lingkaran hijau)

Berkenaan dengan pancaran perovskit pada panjang gelombang dari 425 hingga 555 nm, pandu gelombang plasmonik (WG) dengan NW pada pelat Al menunjukkan kehilangan modal yang relatif lebih rendah (seperti pada pelat Ag) dekat dengan panjang gelombang pendek seperti yang digambarkan pada Gambar. 3a. Dengan demikian, kehilangan logam kecil yang diamati dalam mode hibrida di WG pada pelat Al tidak diamati pada pelat Ag. Salah satu alasannya adalah frekuensi plasmon permukaan perovskite/ SiO₂ /Ag berada di dekat λ =425 nm dan perovskit/SiO₂ /Al berada di dekat panjang gelombang pendek. Batasan gelombang plasmonik di dekat frekuensi plasmon sangat kuat karena resonansi osilasi muatan. Oleh karena itu, penyerapan energi elektromagnetik di dekatnya tinggi. Jika tidak, untuk WG dengan MAPb perovskit(Br_x Kl_1-x )₃ dengan x mendekati 1 (memancar pada panjang gelombang panjang warna hijau) pada pelat Al, kehilangan modal bisa lebih tinggi daripada pada pelat Ag. Kami juga menentukan faktor kurungan mode celah plasmonik terpandu pada ketebalan celah tetap (t _g =0, 15, dan 30 nm). Pengekangan kuat profil modal di dalam celah tipis menunjukkan tumpang tindih yang kuat dengan logam, sehingga menyebabkan kerugian ohmik yang parah. Ini dikendalikan dengan meningkatkan ketebalan celah. Faktor kurungan WG perovskit pada pelat Ag relatif lebih tinggi daripada WG lain pada pelat Al. Ini menunjukkan kurungan yang kuat dari mode WG plasmonik di dekat media penguatan pada pelat Ag dan tumpang tindih kecil dengan sekitarnya.

Tumpang tindih terbatas mode terpandu dengan logam menyebabkan kerugian modal yang lebih rendah seperti yang dibahas sebelumnya, karena kehilangan logam bertanggung jawab atas kehilangan modal dalam skema ini. Kita dapat mengamati bahwa, seperti yang digambarkan pada Gambar. 3b, ketika frekuensi plasmon Ag mendekati (sekitar panjang gelombang pendek), faktor kurungan menjadi lebih kuat di WG pada pelat Al. Untuk mengungkapkan kurungan mode celah plasmonik, kami menghitung profil modal |E | dari MAPb(Br_x Kl_1-x )₃ WG NW pada pelat Ag seperti yang digambarkan dalam sisipan Gambar 3b pada panjang gelombang 425 (x =0) dan 500 nm (x =0,58) pada t . tetap _g dari 5nm. Untuk WG pada panjang gelombang yang lebih pendek, atau di sekitar ketebalan minimal t _g =0 nm, kopling antara mode fotonik kawat nano dan mode plasmonik permukaan lebih kuat, yang mengarah ke mode plasmonik yang sangat terbatas (seperti yang digambarkan dalam plot dengan lingkaran kuning). Namun, pada panjang gelombang pancaran perovskit yang lebih panjang dengan komposisi doping yang lebih tinggi, kekuatan kopling menjadi lebih lemah. Mode celah plasmonik mengungkapkan intensitas yang lebih rendah di dalam celah, dan sejumlah besar energi menyebar di sekitar media sekitarnya (seperti yang ditunjukkan oleh gambar dengan lingkaran merah). Tumpang tindih terbatas mode terpandu dengan logam menyebabkan kehilangan modal yang lebih rendah. Kecenderungan modal loss curve menurun dengan bertambahnya ketebalan celah. Pada panjang gelombang yang lebih panjang, mirip dengan WG dengan celah yang lebih tebal, kekuatan kopling yang lebih rendah menghasilkan kekuatan kurungan yang lebih rendah.

Dalam WG dengan perovskit hibrida yang memancarkan pada panjang gelombang dari 555 hingga 800 nm, skema dengan MAPb(Br_x Kl_1-x )₃ NW, pelat Au mungkin bukan media plasmonik yang sesuai, seperti yang disimpulkan oleh kehilangan modal yang besar (seperti pada pelat Ag dan Al) seperti yang digambarkan pada Gambar 3c. Pelat Au menunjukkan puncak penyerapan plasmonik pada sekitar 520 nm. Oleh karena itu, kehilangan logam intrinsik meningkat ketika mendekati panjang gelombang plasmonik. Namun, stabilitas kimia yang unggul menjadikan Au kandidat yang lebih disukai untuk mengeksplorasi sifat plasmonik dalam perangkat fotonik, terutama pada panjang gelombang warna merah dan oranye. Bagian imajiner dari indeks bias Ag lebih kecil dari pada Al di daerah panjang gelombang ini. Pada panjang gelombang sekitar 550 nm, kehilangan logam mendominasi kehilangan modal. Terlepas dari apakah celahnya tipis atau tebal, kehilangan modal yang sesuai dari Al lebih besar dari pada Ag seperti yang digambarkan pada Gambar. 3c. Gambar 3d menggambarkan bahwa faktor kurungan tiga WG dengan celah yang lebih tebal serupa pada panjang gelombang yang lebih panjang. Kecenderungan kurva faktor kurungan dan karakteristik profil modal yang diilustrasikan pada Gambar. 3d dipengaruhi oleh kekuatan kopling; dengan cara yang mirip dengan pembahasan Gambar 3b yang disebutkan di atas. Untuk menyelidiki mode resonansi di rongga berdasarkan mode celah plasmonik mendasar ini, yang paling mungkin terjadi, kami menentukan peningkatan ambang transparansi dalam setiap kasus, seperti yang disajikan pada Gambar 4.

Keuntungan ambang transparansi dari mode celah plasmonik hibrida mendasar. Dalam struktur dengan perovskit hibrida, a MAPb(Br_x Kl_1-x )₃ NW di SiO₂ -pelat Ag dan Al berlapis b MAPb(Saya_y K_1-y )₃ NW dari berbagai komposisi pada SiO₂ pelat Al, Ag dan Au yang dilapisi, masing-masing sesuai dengan panjang gelombang emisi perovskit yang berbeda. Pada ketebalan celah minimal t _g =0, perolehan ambang transparansi mode plasmonik pada pelat Ag adalah 18470.5 dan 6259.1 dilambangkan dengan bintang hitam di (a ) di λ =425 nm dan (b ) di λ =555 nm

Kinerja Ambang Batas Plasmonic Hybrid Perovskite Nanolaser

Kami mengevaluasi keuntungan ambang transparansi dengan menggunakan faktor kurungan dan kehilangan modal dari setiap WG untuk membandingkan sifat resonansi dalam rongga nano dari berbagai logam dan ketebalan celah. Ambang transparansi didefinisikan sebagai rasio kerugian modal atas faktor kurungan [24]. Seperti yang digambarkan pada Gambar. 4a, Ag menunjukkan faktor kurungan yang unggul dan ambang transparansi untuk setiap MAPb perovskit(Br_x Kl_1-x )₃ WG pada panjang gelombang emisi yang sesuai. Ketebalan rongga yang optimal dengan ambang terendah harus menjadi kasus minimal t _g =0. Misalnya, minimal t _g =0, perolehan ambang transparansi mode plasmonik pada pelat Ag adalah 18470.5 dan 6259.1 dilambangkan dengan bintang hitam pada Gambar 4a di λ =425 nm dan Gambar 4b di λ =555 nm, masing-masing. Nilai-nilai ini sedikit lebih rendah dibandingkan dengan ketebalan celah lainnya. Mode plasmonik hibrida yang dibentuk oleh kopling langsung ke mode plasmon permukaan menunjukkan bidang yang pada akhirnya terbatas. Namun, profil modal yang cocok untuk reflektor akhir untuk dipantulkan secara menyeluruh seringkali bukan profil yang sangat terbatas. Lebih lanjut, lapisan oksidasi biasanya terbentuk selama proses pengendapan, tetapi lapisan oksidasi dapat terbentuk secara tak terhindarkan dari waktu ke waktu. Berkenaan dengan lapisan oksidasi dengan ketebalan terbatas pada pelat Ag, ambang batasnya relatif rendah ketika ketebalannya sekitar 5 sampai 7 nm. Pada panjang gelombang mendekati 425 nm, ambang transparansi-gain WG perovskit pada Al sedikit lebih rendah daripada pada Ag, sebagai hasil dari kehilangan material yang lebih rendah dan tumpang tindih yang substansial dengan wilayah yang hilang. Dari diskusi tentang modal loss dan faktor kurungan dan hasil yang diilustrasikan pada Gambar. 3, tidak sulit untuk mengantisipasi ambang batas yang lebih rendah dari rongga pada pelat Ag dengan perovskit yang didoping yang memancarkan pada panjang gelombang panjang warna oranye dan merah atau spektrum inframerah, seperti yang digambarkan pada Gambar. 4b. Ambangnya cukup tinggi pada rongga pada Au karena penyerapan material yang relatif besar. Meskipun Al berbiaya rendah dan menunjukkan kecenderungan terbatas untuk membentuk lapisan oksidasi yang terukur, Al masih dapat berfungsi sebagai media plasmonik yang sangat baik dalam skema yang digabungkan dengan perovskit yang didoping ini karena sesuai dengan ambang transparansi yang dapat ditoleransi dan kurang peka terhadap celah. ketebalan dan komposisi doping, seperti yang digambarkan pada Gambar. 4a, b. Oleh karena itu, Ag adalah pilihan terbaik sebagai media plasmonik untuk menyelidiki proses pengikatan perovskit terkait logam meskipun perlu untuk melapisinya dengan lapisan oksidasi. Dielektrik indeks rendah (lapisan oksidasi) dengan ketebalan sekitar 5 hingga 10 nm dapat mempertahankan mode celah plasmonik terpandu; lapisan celah ini dapat menghasilkan pantulan yang sesuai pada faset ujung untuk mengurangi kehilangan cermin yang tidak diinginkan.

Setelah menentukan distribusi spasial profil modal seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b-d, kami memperkirakan faktor kualitas, Q menggunakan Re[f _r ]/2 Aku[untuk _r ], di mana f _r adalah frekuensi eigen kompleks dari mode resonansi yang diperoleh dengan menggunakan 3D FEM. Kami membandingkan nilai perkiraan Q -faktor mode resonansi dalam rongga yang diperoleh dengan menggunakan tiga perovskit (MAPbX₃; X:Cl, Br, dan I) pada SiO₂ -pelat Ag dan Al berlapis pada ketebalan celah tetap t _g dari 7nm. Untuk perbandingan yang adil, panjang rongga L diatur ke empat panjang gelombang efektif (4λ / Re[n _eff ]) pada λ . yang sesuai , di mana Re[n _eff ] adalah indeks modal yang efektif dari mode terpandu dalam setiap kasus. Kami menyimpulkan bahwa karena hilangnya material intrinsik Al yang besar dalam spektrum tampak, Q -faktor rongga pada pelat Al tidak sebanding dengan pelat Ag. Q -faktor pasti lebih tinggi di rongga pada panjang gelombang λ mendekati 425nm. Namun, itu kurang mampu membatasi mode plasmonik hibrida di dalam wilayah penguatan di dekat celah tipis, seperti yang ditunjukkan oleh faktor kurungan. Oleh karena itu, perbandingan Q -faktor juga menyarankan bahwa Ag lebih disukai dalam skema plasmonik yang digabungkan dengan perovskit dalam spektrum yang terlihat. Oleh karena itu, kerugian hamburan dari sisi ujung mungkin bukan faktor dominan yang menurunkan kinerja rongga. Seperti yang ditunjukkan oleh perolehan ambang transparansi terendah seperti yang digambarkan pada Gambar. 4b, mode resonansi pada pelat Ag mendekati 800 nm berpotensi mengungkapkan nilai Q yang relatif tinggi. -factor, yang menunjukkan potensi dalam aplikasi masa depan terkait dengan kopling eksiton-foton dan biosensing yang ditingkatkan plasmon.

Fotoluminesensi yang bergantung pada daya diukur untuk menyelesaikan spektrum emisi dan merekam daya penguat pada berbagai masukan pemompaan, seperti yang ditampilkan pada Gambar. 5. Spektrum emisi rongga dengan MAPbBr₃ NW di SiO₂ -pelat Ag tertutup disajikan pada Gambar. 5a. Puncak emisi dalam spektrum kemudian dipasang untuk mendapatkan kurva light-light (L-L) MAPbBr₃ nanolaser. Dalam spektrum emisi, daya keluaran meningkat secara dramatis pada daya pemompaan yang lebih tinggi dari ambang batas (pada daya rata-rata sekitar 1,62 W); perubahan tajam juga diamati pada kurva L-L yang sesuai seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b. Setelah daya pemompaan lebih tinggi dari ambang penguat, lebar garis emisi puncak tunggal dari keluaran penguat berkurang dari 7,6 nm menjadi sekitar 0,5 nm. Sinyal keluaran dikumpulkan dari sisi ujung NW. Daya ambang batas adalah satu urutan besarnya lebih kecil dari nanolaser ZnO NW pada pelat Ag. Alasan yang mungkin bisa menjadi keuntungan materi superior yang disediakan oleh MAPbBr₃ dari ZnO dan kerugian internal yang lebih kecil pada 550 nm dari pada 370 nm [35]. Selain itu, laser plasmon NW perovskit [26,27,28] mengungkapkan berbagai ambang batas pada suhu yang berbeda. Untuk beroperasi di bawah kekuatan pemompaan yang kuat pada suhu kamar sambil mempertahankan kinerja perangkat tanpa ablasi material yang parah dan degradasi termal, stabilitas termal [40] dan kualitas kristal [41] perovskite NW dapat menjadi parameter kunci untuk ditingkatkan. Karakteristik yang diinginkan seperti ambang batas yang rendah dan lebar garis yang sempit memperluas aplikasi potensial dalam perangkat fotonik aktif mini masa depan.

Karakteristik penguat. a Spektrum emisi representatif untuk daya pemompaan di bawah (1,4 W), dekat (1,62 W), dan di atas (3,43 W) ambang batas penguat. b Kurva L-L (lingkaran merah) dan evolusi lebar garis puncak dominan dengan peningkatan daya intensitas pemompaan (lingkaran biru) dari MAPbBr₃ NW plasmon nanolaser on SiO₂ -covered Ag plates