페로브스카이트 기반 표면 플라스몬 나노레이저의 전체 스펙트럼 분석

결과 및 토론

제안된 나노캐비티는 그림 1a에 도시된 바와 같이 낮은 임계값과 강한 모달 구속을 나타냅니다. 공동의 특성을 조사하기 위해 공진 모드를 결정했습니다. SiO₂의 페로브스카이트 NW를 특징으로 하는 나노공동의 모달 프로파일 /Ag 플레이트는 그림 1에 나와 있습니다. 우리는 공명 모드 프로파일 |E | (b) z를 따라 프로파일의 안티노드에서 -축(x -이 평면), (c) 얇은 틈의 중간(NW 아래) (x -z 평면) 및 (d) NW(y -z 평면), 각각. 도 1b에 도시된 바와 같이, 캐비티 모드의 프로파일은 실제로 가이드 하이브리드 갭 모드의 특징으로 강하게 제한된다. 그림 1d에 표시된 공진 패턴은 NW 광자 누설 모드(컷오프 치수 아래의 너비)와 전파하는 표면 플라즈몬 파의 특성을 나타냅니다. 장축(z -방향) 도 1c에 도시된 모드의 측면 분포(x를 따라) -방향) 나노스케일 폭의 작은 NW로 정의되는 것도 충분히 제한되어 있으며, 이는 플라즈몬 모드 특성과 일치합니다.

플라즈몬 하이브리드 페로브스카이트 도파관의 특성

가시광선에서 근적외선 파장 영역의 플라즈몬 레이저 특성을 조사하기 위해 Br이 도핑된 MAPbCl의 하이브리드 버전의 유전 함수₃ (MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ ) 및 I-도핑된 MAPbBr₃ (MAPb(I_y 브_1-y )₃ )을 조사하였다. 단결정 페로브스카이트 MAPbX₃에서 , 복잡한 전자 구성은 다중 전자 전이를 일으키는 유기 그룹, 납 양이온 및 할로겐 음이온 상태의 혼성화에서 비롯됩니다. 도핑된 MAPbX₃의 격자에서 , 이온 교환 반응 동안 도입된 도펀트 및 공석은 결정질 품질을 낮추고 개별 전자 상태를 얼룩지게 할 수 있습니다. 따라서 유전 함수의 분산 관계에 대한 각각의 고유한 흡수 피크를 나타내기 위해 엄격한 제1 원리 대역 계산[36]을 수행하는 대신 유전 함수 ϵ 방출 에너지 밴드갭(E _g ) 혼합 페로브스카이트(MAPb(Br_x) Cl_1-x )₃ ) 다양한 도핑 조성(x ). 따라서 이끼 법칙 [37], \( \epsilon (x)=a+b\sqrt{E_g(x)} \)이 채택됩니다. 유전 함수 ϵ 방출 에너지 밴드갭 E와 관련이 있습니다. _g 혼합 페로브스카이트(MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ ) 도핑 조성 x . 공식에서 유전 함수 ϵ (x ) 순수 페로브스카이트 MAPbCl₃ (x =0) 및 MAPbBr₃ (x =1) 각각 해당하는 방출 파장 425 및 555 nm에서 피팅 상수를 결정하는 데 사용된 [30] a 그리고 b . 순수한 페로브스카이트의 에너지 밴드갭은 방출 파장에서 추론되었습니다. 그런 다음 \( {E}_g^{\mathrm{MAPb}{\left({\mathrm{Br}}_x{\mathrm{Cl}}_{1-x}) 관계에서 혼합 페로브스카이트의 에너지 밴드갭을 얻었습니다. \right)}_3}(x)=\left(1-x\right){E}_g^{\mathrm{MAPb}{\mathrm{Cl}}_3}+x{E}_g^{\mathrm{ MAPb}{\mathrm{Br}}_3} \) [38]. 그림 2와 같이 복소굴절률(n , 카 )의 MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ 각 도핑 조성 x에서 유전 함수 \( n(x)+ ik(x)=\sqrt{\epsilon (x)} \)에서 파생됩니다. . Br의 함량이 증가함에 따라 도핑된 MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ 적색편이된 에너지 밴드갭을 나타내고 더 긴 파장에서 방출합니다. (n , 카 )의 MAPb(I_y 브_1-y )₃ I 도핑 구성 y , 그림 2의 오른쪽 섹션에 표시된 대로. MAPbBr₃의 혼합물 (예 =0) 및 MAPbI₃ (예 =1), MAPb(I_y 브_1-y )₃ 555~800nm의 장파장에서 방출합니다. 도핑된 페로브스카이트의 굴절률은 그림 2에 나와 있으며 다음 계산에 사용됩니다. 순수한 페로브스카이트 MAPbCl₃의 굴절률 , MAPbBr₃ 및 MAPbI₃ 작곡 x에서 =0, x =1(y =0) 및 y =1은 (2.2, 0.013), (2.30, 0.01) 및 (2.49, 0.0009)입니다. 그들은 각각 425, 555, 800 nm의 파장에서 방출하고 있습니다.

구성 하이브리드 MAPbX₃의 분산 특성 . 복합 굴절률(n , 카 ) 하이브리드 페로브스카이트 MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ (녹색 선) 및 MAPb(I_y 브_1-y )₃ 다양한 구성(x)의 (빨간색 선) 그리고 y ) 가시광선 및 적외선 스펙트럼의 파장에서 방출. 순수 페로브스카이트 MAPbCl의 굴절률₃ , MAPbBr₃ 및 MAPbI₃ 작곡 x에서 =0, x =1(y =0) 및 y =1은 (2.2, 0.013), (2.30, 0.01) 및 (2.49, 0.0009)입니다. 파장 λ에서 방출합니다. =425, 555 및 800nm

다음으로, 우리는 페로브스카이트 NW의 누설 광자 유도 모드(차단 주파수 이하)와 주로 갭과 금속의 계면에 집중된 표면파 사이의 결합에 의해 형성되는 기본 플라즈몬 갭 모드의 특성을 연구했습니다. 그림 3에 나와 있는 것처럼 도파관에 대한 유도 하이브리드 플라즈몬 모드의 모드 손실 및 제한 계수[24]를 결정했습니다. 혼합 페로브스카이트 NW, MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ 및 MAPb(I_y 브_1-y )₃ 도핑 조성 x 그리고 y SiO₂에서 0에서 1까지 /Ag, SiO₂ /Al 또는 SiO₂ /Au 플레이트 갭 두께 <>t _g 해당 방출 파장에서. 우리는 페로브스카이트 MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ MAPb(I_{y의 경우 555~800nm)} 브_1-y )₃ . 이 계산에서 도핑된 페로브스카이트의 복소 굴절률은 (n , 카 ) 금속층 Al, Ag 및 Au의 분산 굴절률은 이전 실험 데이터에서 채택되었습니다[39].

유도 모드의 모달 손실 및 구속 계수. 아 , ㄷ 모달 손실 및 b , d 고정 SiO₂에서 유도 플라즈몬 갭 모드의 구속 계수 간격 두께, t _g =0(파란색 선), 5(빨간색 선) 및 15(녹색 선) nm, λ의 축광 스펙트럼에서 도핑된 페로브스카이트에 해당 =425~800nm. 하이브리드 페로브스카이트 MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ Ag(실선) 및 Al 플레이트(점선)의 WG는 (a , b ). 페로브스카이트 MAPb(I_y 브_1-y )₃ Ag(실선), Al(점선) 및 Au(점선) 플레이트의 WG는 λ에서 해결됩니다. =(c에 표시된 대로 555 ~ 800 nm , d ). (b의 삽입 , d ) 모달 프로필 공개 |E | SiO₂의 유도 플라즈몬 갭 모드 - t의 덮인 Ag 플레이트 _g =조성 x의 도핑된 페로브스카이트에 대해 5 nm =0(노란색 원), x =0.58(빨간색 원), y =0(주황색 원) 및 y =0.59(녹색 원)

425~555nm의 파장에서 방출하는 페로브스카이트와 관련하여 Al 플레이트의 NW가 있는 플라즈몬 도파관(WG)은 그림 3a에 표시된 것처럼 단파장에 가까운 상대적으로 낮은 모드 손실(Ag 플레이트에 대해)을 나타냈습니다. 따라서 Al 플레이트의 WG에서 하이브리드 모드에서 관찰된 작은 금속 손실은 Ag 플레이트에서는 관찰되지 않았습니다. 한 가지 이유는 페로브스카이트/SiO₂의 표면 플라즈몬 주파수가 /Ag는 λ에 근접했습니다. =425 nm 및 페로브스카이트/SiO₂의 것 /Al은 단파장에 가깝다. 플라즈몬 주파수 근처에서 플라즈몬파의 구속은 전하 진동 공진 때문에 매우 강력하였다. 따라서 근처에서 전자기 에너지의 흡수가 높았다. 그렇지 않으면 페로브스카이트 MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ x Al 판에서 1(녹색의 긴 파장에서 방출)에 가까우면 모달 손실이 Ag 판보다 높을 수 있습니다. 고정된 갭 두께(t _g =0, 15 및 30nm). 얇은 갭 내부의 모달 프로파일의 강한 구속은 금속과의 강한 중첩을 나타내므로 심각한 옴 손실을 유발합니다. 이것은 갭 두께를 증가시킴으로써 제어되었다. Ag 플레이트의 페로브스카이트 WG의 구속 계수는 Al 플레이트의 다른 WG보다 상대적으로 높았습니다. 이것은 Ag 플레이트의 이득 매질 근처에 플라즈몬 WG 모드가 강력하게 제한되어 있고 주변 환경과 약간 겹친다는 것을 암시합니다.

금속과 유도 모드의 제한된 중첩은 이 방식에서 금속 손실이 전적으로 모드 손실에 책임이 있기 때문에 이전에 논의된 바와 같이 더 낮은 모드 손실로 이어집니다. 도 3b에 도시된 바와 같이, Ag의 플라즈몬 주파수가 (단파장 부근에서) 접근할 때, 구속 인자가 Al 플레이트의 WG에서 더 강해지는 것을 관찰할 수 있다. 플라즈몬 갭 모드의 제한을 밝히기 위해 모달 프로파일 |E를 계산했습니다. | MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ 425(x =0) 및 500nm(x =0.58) 고정 t에서 _g 5nm의. 더 짧은 파장의 WG 또는 최소 두께 t 주변 _g =0 nm, 나노와이어 광자 모드와 표면 플라즈몬 모드 사이의 결합이 더 강하여 고도로 제한된 플라즈몬 모드(노란색 원으로 표시된 플롯)로 이어졌습니다. 그러나 더 높은 도핑 조성을 가진 페로브스카이트의 더 긴 방출 파장에서 결합 강도는 약해집니다. 플라즈몬 갭 모드는 갭 내부의 강도가 더 적고, 상당한 양의 에너지가 주변 매질 주위에 퍼져 있음을 나타냅니다(빨간색 원으로 표시된 그림 참조). 금속과 가이드 모드의 제한된 중첩으로 인해 모드 손실이 낮아졌습니다. 모드 손실 곡선의 경향은 간극 두께가 증가함에 따라 감소했습니다. 더 긴 파장에서 간격이 더 두꺼운 WG와 유사하게 결합 강도가 낮을수록 구속 강도가 낮아집니다.

555~800 nm의 파장에서 방출하는 하이브리드 페로브스카이트가 있는 WG에서 MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ NW, Au 플레이트는 그림 3c에 표시된 것처럼 큰 모드 손실(Ag 및 Al 플레이트에 대해)로 추론할 수 있는 적절한 플라즈몬 매체가 아닐 수 있습니다. Au 플레이트는 대략 520 nm에서 플라즈몬 흡수 피크를 나타냈다. 따라서 고유 금속 손실은 플라즈몬 파장에 접근할 때 증가합니다. 그러나 우수한 화학적 안정성으로 인해 Au는 특히 적색 및 주황색 파장에서 광자 장치의 플라즈몬 특성을 탐구하는 데 선호되는 후보가 됩니다. 이 파장 영역에서 Ag의 굴절률의 허수부는 Al의 굴절률보다 작았다. 약 550nm 파장에서 금속 손실이 모드 손실을 지배했습니다. 갭이 얇거나 두꺼운지 여부에 관계없이 그림 3c에 표시된 것처럼 Al의 해당 모드 손실은 Ag의 모드 손실보다 컸습니다. 그림 3d는 더 두꺼운 간격을 가진 3개의 WG의 구속 계수가 더 긴 파장에서 유사함을 보여줍니다. 구속계수 곡선의 경향과 그림 3d에 도시된 모달 프로파일의 특성은 결합강도에 의해 영향을 받는다. 전술한 도 3b의 논의와 유사한 방식으로. 가장 가능성이 높은 이 기본 플라즈몬 갭 모드를 기반으로 하는 공동의 공진 모드를 조사하기 위해 그림 4와 같이 각 경우의 투명도 임계값 이득을 결정했습니다.

기본 하이브리드 플라즈몬 갭 모드의 투명도 임계값 이득. 하이브리드 페로브스카이트가 있는 구조에서 a MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ SiO₂의 NW -코팅된 Ag 및 Al 플레이트 b MAPb(I_y 브_1-y )₃ SiO₂에 대한 다양한 조성의 NW 각각 다른 페로브스카이트 방출 파장에 해당하는 코팅된 Al, Ag 및 Au 플레이트. 최소 간격 두께 t에서 _g =0, Ag 플레이트에서 플라즈몬 모드의 투명도 임계값 이득은 18470.5 및 6259.1이며 (a ) λ에서 =425nm 및 (b ) λ에서 =555nm

플라즈몬 하이브리드 페로브스카이트 나노레이저의 임계값 성능

우리는 다양한 금속과 갭 두께의 나노 캐비티의 공진 특성을 비교하기 위해 각 WG의 구속 계수와 모드 손실을 사용하여 투명도 임계값 이득을 평가했습니다. 투명도 임계값은 제한 계수에 대한 모드 손실의 비율로 정의됩니다[24]. 도 4a에 도시된 바와 같이, Ag는 각 페로브스카이트 MAPb(Br_x Cl_1-x )₃ 해당 방출 파장에서 WG. 임계값이 가장 낮은 캐비티의 최적 두께는 t의 최소 경우여야 합니다. _g =0. 예를 들어, 최소 t _g =0, Ag 플레이트에서 플라즈몬 모드의 투명도 임계값 이득은 λ에서 그림 4a의 검은색 별으로 표시된 18470.5 및 6259.1이었습니다. =425 nm 및 λ에서 그림 4b =각각 555 nm. 이 값은 다른 갭 두께의 값보다 약간 낮습니다. 표면 플라즈몬 모드에 직접 결합하여 형성된 하이브리드 플라즈몬 모드는 궁극적으로 제한된 필드를 나타냅니다. 그러나 엔드 리플렉터가 완전히 반사하기에 적합한 모달 프로파일은 종종 극도로 제한된 프로파일이 아닙니다. 또한, 산화층은 일반적으로 증착 과정에서 형성되지만, 산화층은 시간이 지남에 따라 가차 없이 형성될 수 있다. Ag 플레이트 상의 제한된 두께의 산화층과 관련하여, 두께가 약 5 내지 7 nm일 때 임계값이 상대적으로 낮았다. 425nm에 가까운 파장에서 Al에 대한 페로브스카이트 WG의 투명도 임계값 이득은 더 낮은 재료 손실과 손실 영역과의 실질적인 중첩 결과로 Ag보다 약간 낮았습니다. 모달 손실 및 구속 인자에 대한 논의와 그림 3에 예시된 결과로부터 주황색 및 적색 또는 적외선 스펙트럼의 긴 파장에서 방출하는 도핑된 페로브스카이트가 있는 Ag 플레이트의 공동의 더 낮은 임계값을 예상하는 것은 어렵지 않습니다. 도 4b에 도시된 바와 같이. 상대적으로 큰 물질 흡수로 인해 Au의 공동에서 임계값이 상당히 높았습니다. Al은 저렴하고 측정 가능한 산화층을 형성하는 경향이 제한적이지만, 허용 가능한 투명도 임계값에 해당하고 간격에 덜 민감하기 때문에 이러한 도핑된 페로브스카이트 통합 방식에서 여전히 우수한 플라즈몬 매질로 기능할 수 있습니다. 도 4a, b에 도시된 바와 같은 두께 및 도핑 조성. 따라서 Ag는 산화층으로 코팅해야 함에도 불구하고 금속 관련 페로브스카이트 레이징 공정을 조사하기 위한 플라즈몬 매질로서 최선의 선택입니다. 약 5~10nm 두께의 저굴절률 유전체(산화층)는 유도 플라즈몬 갭 모드를 유지할 수 있습니다. 이 갭 레이어는 원치 않는 미러 손실을 줄이기 위해 끝면에서 적절한 반사를 일으킬 수 있습니다.

그림 1b–d와 같이 모달 프로파일의 공간 분포를 결정한 후 품질 계수 Q를 추정했습니다. Re[f 사용 _r ]/2 임[f _r ], 여기서 f _r 는 3D FEM을 사용하여 얻은 공진 모드의 복소 고유 주파수입니다. Q의 이러한 추정값을 비교했습니다. -세 개의 페로브스카이트를 사용하여 얻은 공동의 공명 모드 계수(MAPbX₃; X:SiO₂ 상의 Cl, Br 및 I) -고정된 갭 두께 t로 코팅된 Ag 및 Al 플레이트 _g 7nm. 공정한 비교를 위해 캐비티 길이 L 4개의 유효 파장으로 설정되었습니다(4λ / 재[n _에프 ]) 해당 λ에서 , 여기서 Re[n _에프 ]는 각 경우에 가이드 모드의 효과적인 모드 인덱스입니다. 우리는 가시 스펙트럼에서 Al의 큰 고유 물질 손실 때문에 Q -Al 플레이트의 공동 요소는 Ag 플레이트와 비교할 수 없습니다. 질문 -요소는 파장 λ에서 공동에서 확실히 더 높았습니다. 425nm에 가깝습니다. 그러나 제한 계수로 표시된 것처럼 얇은 갭 근처의 이득 영역 내부에 하이브리드 플라즈몬 모드를 제한하는 능력이 떨어졌습니다. 따라서 Q의 비교 -인자는 또한 가시 스펙트럼에서 페로브스카이트가 통합된 플라즈몬 체계에서 Ag가 선호됨을 시사했습니다. 따라서 끝면의 산란 손실은 캐비티의 성능을 저하시키는 지배적인 요인이 아닐 수 있습니다. 도 4b에 도시된 바와 같이 가장 낮은 투명도 임계값 이득으로 표시된 바와 같이, 800nm에 가까운 Ag 플레이트의 공진 모드는 잠재적으로 Q의 상대적으로 높은 값을 드러냈습니다. -인자는 플라즈몬 강화 여기자-광자 커플링 및 바이오 센싱과 관련된 미래 응용 분야의 잠재력을 나타냅니다.

전력 의존적 광발광은 그림 5에 표시된 것처럼 방출 스펙트럼을 해결하고 다양한 펌핑 입력에서 레이저 전력을 기록하기 위해 측정되었습니다. MAPbBr₃이 있는 공동의 방출 스펙트럼 SiO₂의 NW -덮인 Ag 플레이트는 그림 5a에 나와 있습니다. 그런 다음 스펙트럼의 방출 피크를 피팅하여 MAPbBr₃의 광광(L-L) 곡선을 얻었습니다. 나노레이저. 방출 스펙트럼에서 출력 전력은 임계값보다 높은 펌핑 전력(약 1.62μW 평균 전력)에서 극적으로 증가합니다. 그림 5b와 같이 해당 L-L 곡선에서도 급격한 변화가 관찰되었습니다. 펌핑 파워가 레이징 임계값보다 높으면 레이징 출력의 단일 피크 방출 선폭이 7.6nm에서 약 0.5nm로 감소합니다. 출력 신호는 NW 끝면에서 수집되었습니다. 임계 전력은 Ag 플레이트의 ZnO NW 나노레이저보다 10배 더 작습니다. 가능한 이유는 MAPbBr₃에서 제공하는 우수한 재료 이득일 수 있습니다. ZnO보다 내부 손실이 작고 370 nm보다 550 nm에서 내부 손실이 더 작습니다[35]. 또한, 페로브스카이트 NW 플라즈몬 레이저[26,27,28]는 다양한 온도에서 다양한 임계값을 나타냅니다. 심각한 재료 제거 및 열 열화 없이 장치 성능을 유지하면서 실온에서 강력한 펌핑 전력으로 작동하려면 페로브스카이트 NW의 열 안정성[40]과 결정 품질[41]이 주요 매개변수가 될 수 있습니다. 낮은 임계값 및 좁은 선폭과 같은 바람직한 특성은 미래의 소형 능동 광자 장치의 잠재적 응용 분야를 확장합니다.

레이징의 특징. 아 레이저 임계값 이하(1.4μW), 부근(1.62μW), 이상(3.43μW)의 펌핑 전력에 대한 대표적인 방출 스펙트럼. ㄴ MAPbBr₃의 펌핑 강도 전력 증가(파란색 원)에 따른 L-L 곡선(빨간색 원) 및 지배적 피크의 선폭 변화 NW plasmon nanolaser on SiO₂ -covered Ag plates