페로브스카이트 표면 플라즈몬 나노레이저: 파장 가변 및 저임계값 성능

요약

본 연구에서는 하이브리드 페로브스카이트 기반 표면 플라즈몬 나노레이저의 특성을 체계적으로 연구했습니다. 페로브스카이트의 음이온 조성을 변경하면 방출 파장을 쉽게 조정할 수 있습니다. 다양한 SiO₂ 코팅 금속(Au, Ag, Al) 플레이트 위에 놓인 하이브리드 페로브스카이트 나노와이어를 특징으로 하는 풀스펙트럼 모델링을 수행했습니다. 플라즈모닉 갭 모드를 지지하는 제안된 나노공진기는 낮은 투명도 임계 이득과 낮은 레이징 임계값 같은 나노레이저의 탁월한 특성을 보였습니다. Ag 위 MAPbBr₃ 나노레이저에 대한 실험 결과는 저임계값 작동을 입증했습니다. 이러한 우수한 특성은 강한 결합을 통한 향상된 빛-물질 상호작용에 기인합니다. 따라서 이득 물질로 하이브리드 페로브스카이트를 통합한 제안된 방식은 가시광에서 근적외선 스펙트럼까지 나노스케일 플라즈몬 레이징을 위한 훌륭한 플랫폼을 제공합니다.

서론

메틸암모늄 납 할라이드 페로브스카이트 MAPbX₃(MA = CH₃NH₃, X = I, Br, Cl)는 하이브리드 유무기 반도체 계열로, 낮은 비복사 재결합률과 긴 캐리어 수명으로 인해 반도체 레이저에 적합한 우수한 광학적 특성을 나타냅니다. 또한 혼합 할라이드 하이브리드 페로브스카이트는 가시광 및 근적외선 영역을 커버하는 방출 파장에 해당하는 넓은 에너지 밴드갭 조정성을 달성할 수 있습니다. 여러 페로브스카이트가 박막, 나노플레이트, 나노결정 형태에서 효율적인 광 이득 물질임이 입증되었습니다. 그러나 높은 레이징 임계값은 전기 구동 레이징이나 광전자 집적 시스템 같은 실용적 응용에서 페로브스카이트 사용의 우려사항입니다. 높은 결정질(단결정)은 산란 손실을 감소시키고 펌핑 공정 중 임계값을 낮출 수 있습니다. 최근 용액 공정 가능한 페로브스카이트 나노와이어(NW)가 성공적으로 시연되었습니다. 두 끝면이 반사체 역할을 하여 페로브스카이트 NW는 자연스럽게 소형 광공진기를 형성합니다. 강한 고유 엑시톤 진동 강도로 인한 뛰어난 전기적 특성 외에도 이러한 이점은 페로브스카이트 NW를 상온, 저비용, 저임계값, 콤팩트한 크기의 엑시톤-폴라리톤 레이저 같은 소형 소자 구현을 위한 훌륭한 플랫폼으로 만듭니다.

그러나 NW 공진기와 관련된 광학 모드의 풋프린트는 회절 한계에 의해 제한됩니다. 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)은 전자기 모드의 특징 크기를 최소화하는 데 사용되어 왔습니다. 최근 다양한 플라즈모닉 NW 공진기가 조사되었습니다. 금속-절연체-반도체 구조의 공진기는 하이브리드 플라즈모닉 갭 모드를 유지하는 데 특히 유망합니다. 따라서 도핑되거나 순수한 페로브스카이트 NW를 절연체 코팅 금속 플레이트 위에 배치해 플라즈모닉 파브리-페로 공진기를 형성했습니다. 플라즈모닉 갭 유도 모드가 NW 장축을 따라 순환하면서 생기는 공진 모드는 NW에 의해 고도로 구속됩니다. 감소된 유효 모달 부피는 국소 광자 상태 밀도와 엑시톤-광자 간 결합 강도를 높일 수 있습니다. 본 연구에서는 제안된 나노레이저의 레이저 특성을 견고한 공진기로서 조사했습니다. 예를 들어 NW 끝면이 플라즈모닉 갭 유도 모드를 반사하는 거울로 충분하지 않을 수 있으며, 이는 공진기의 임계 이득을 급격히 증가시킬 수 있습니다. 또한 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 같은 일반적인 플라즈모닉 금속이 가시광에서 근적외선 파장 영역 전반에서 레이저 성능 저하 없이 모달 부피를 효율적으로 낮출 수 있는지에 대한 집중적인 연구 관심이 있습니다.

본 연구에서는 유한요소법(FEM: COMSOL 패키지)을 사용해 다양한 SiO₂ 코팅 금속(Au, Ag, Al) 플레이트 위에 놓인 페로브스카이트 기반 나노레이저의 특성을 넓은 스펙트럼에서 분석했습니다. 단결정 순수 페로브스카이트 MAPbX₃의 경우, 제1 브릴루앵 존에서 밴드 전이와 관련된 스펙트럼 이득 윈도우는 X = Cl, Br, I에 대해 각각 약 2.9 eV, 2.2 eV, 1.5~1.6 eV이며, 해당 방출 파장은 λ = 425, 555, 800 nm입니다. 그림 1a 인셋에 묘사된 제안된 나노공진기의 활성 영역인 NW는 매끄러운 표면 형태를 보여 레이징 중 산란 손실을 줄일 수 있습니다. 이온 교환 반응법을 사용해 페로브스카이트를 다른 할로겐 음이온으로 도핑된 페로브스카이트로 변환하면 페로브스카이트의 방출 스펙트럼을 거의 전체 가시광 영역으로 확장할 수 있습니다. 모든 플라즈모닉 금속 중 Ag는 가시광 영역에서 상대적으로 낮은 금속 손실을 보이며, Al은 저비용 원소로 청색-자외선 영역에서 우수한 플라즈모닉 특성으로 주목받습니다. Au는 적외선 영역에서 플라즈몬 파동 생성에 적합한 것으로 일반적으로 고려됩니다. 이 세 금속을 플라즈모닉 매질로 선택해 시스템 내 전하-광자 상호작용을 강화했습니다.

그림 1a는 제안된 플라즈모닉 나노공진기의 개략도입니다. 페로브스카이트 나노와이어가 SiO₂ 코팅 금속 기판 위에 놓여 있습니다. 수 마이크로미터 길이의 나노와이어 두 끝면이 반사체 역할을 하여 자연스럽게 플라즈모닉 공진기를 형성합니다. 인셋은 SiO₂ 코팅 Ag 기판 위 MAPbBr₃ NW의 광학 현미경 사진입니다. 그림 1b-d는 3차원 유한요소법으로 계산된 공진 모드의 전기장 성분 |E| 모달 프로파일(횡단면)입니다. 그림 1b에는 강하게 구속된 플라즈모닉 갭 모드 프로파일이, 그림 1d에는 NW 광자 모드와 전파 표면 플라즈몬 파동의 결합에서 기원한 하이브리드 플라즈모닉 모드 특징을 보이는 공진 패턴이 표시되어 있습니다. 긴 축(z 방향)을 따라 명백한 정재파 패턴이 그림 1c에 표시된 것처럼 나타나는 것 외에도, 모드의 측면 구속(x 방향)은 나노스케일 폭의 작은 NW에 의해 충분히 강합니다.

먼저 2차원(2D) FEM을 사용해 SiO₂/Ag, SiO₂/Al, SiO₂/Au 금속 플레이트 상의 기본 하이브리드 플라즈모닉 유도 모드 특성을 조사했습니다. 하이브리드 플라즈모닉 갭 모드는 절연체-금속 인터페이스에서 광자 모드와 표면 플라즈몬 모드 간 결합에서 기원합니다. 강한 결합 강도는 모드가 금속과 크게 중첩되어 심각한 고유 물질 손실을 초래할 수 있으며, 이는 갭 두께 t_g에 크게 의존합니다. 따라서 다양한 갭 두께 t_g에서 하이브리드 플라즈모닉 갭 모드의 모달 손실, 모달 프로파일, 구속 인자, 투명도 임계 이득을 계산했습니다(그림 1b 참조). NW 폭은 100 nm로 설정했고, 공진기 길이 L은 2.67 μm로 자기조립법으로 얻은 NW들과 비교 가능했습니다. 이후 3차원(3D) FEM으로 나노공진기의 공진 모드 계산을 구현했습니다. 경험적 계산 결과 Ag가 MAPbBr₃ 나노레이저에 가장 적합한 금속임이 입증되었습니다.

따라서 10 nm 두께 SiO₂ 스페이서 층이 있는 Ag 플레이트 위 MAPbBr₃ NW를 사용해 나노레이저 성능을 조사했습니다. 제안된 나노레이저는 극도로 작은 모달 풋프린트, 낮은 레이징 임계값, 조정 가능한 방출 파장을 보였으며, 이는 차세대 광원 등 응용에 사용될 수 있습니다.

방법

페로브스카이트 나노와이어 공진기 제조

Ag가 나노레이저 작동에서 최적의 플라즈모닉 특성을 보였으므로, 10 nm 두께 SiO₂ 스페이서 층이 있는 Ag 플레이트 위 MAPbBr₃ NW를 사용해 나노레이저 성능을 조사했습니다. Ag 플레이트는 Si 기판 위 e-gun 증착법으로 제조했으며, 평탄한 표면 거칠기를 위해 성장 및 어닐링 파라미터를 최적화한 후 SiO₂ 층을 증착했습니다. MAPbBr₃ NW 합성은 원스텝 용액 자기조립법에 기반했습니다. 먼저 MABr 0.15 mmol과 PbBr₂ 0.15 mmol 분말을 5 ml N,N-디메틸포름아마이드에 용해해 전구체 용액을 만들었습니다. 전구체 용액을 SiO₂ 코팅 Ag 플레이트에 드롭 캐스팅했습니다. 둘째, Ag 플레이트를 지지하는 기판을 디클로로메탄을 담은 비커 안의 스테이지 위에 놓았습니다. 기판은 디클로로메탄 액면에서 약 3 cm 위에 위치했습니다. 마지막으로 알루미늄 호일 한 겹으로 덮인 비커를 60°C 인큐베이터에 넣었습니다. 4시간 후 비커 내 액체 증발 공정이 완료되고 SiO₂ 코팅 Ag 플레이트 위 MAPbBr₃ NW를 얻었습니다. 이후 그림 1a에 표시된 구성의 NW 나노공진기를 77 K 고진공 챔버에 장착했습니다.

레이징 작동 특성 분석

단일 NW 공진기의 레이징 작동을 조사하기 위해 주사전자현미경으로 폭 약 100 nm, 길이 약 3 μm인 MAPbBr₃ NW를 탐색했습니다. 해당 NW 위치를 확인한 후 시료를 극저온 챔버에 넣어 광학 펌핑을 수행했습니다. Nd:YVO₄ 펄스 레이저의 3차 고조파(355 nm)를 펌핑 소스로 사용했으며, 펄스 지속시간과 반복률은 각각 0.5 ns, 1 kHz였습니다. 100배 근자외선 무한원 보정 대물렌즈(수치개구수 0.5, Mitutoyo)로 레이저 빔을 약 15 μm 직경 초점 크기로 MAPbBr₃ NW에 집속했습니다. 한 번에 하나의 NW만 펌핑했습니다. 이후 동일한 대물렌즈로 MAPbBr₃ NW의 방출 신호를 수집했습니다. 600 μm 코어 직경 광섬유를 대물렌즈에 부착했습니다. 다른 쪽 끝에는 질소 냉각 전하결합소자(CCD)를 320 mm 길이 단일 단색기(iHR320, Horiba)에 부착해 다양한 주파수에서 NW 끝면 거울로부터 출력 방출을 수집했습니다.

결과 및 고찰

제안된 나노공진기는 그림 1a에 묘사된 것처럼 낮은 임계값과 강한 모달 구속을 보입니다. 공진기 특성을 조사하기 위해 공진 모드를 결정했습니다. 그림 1에 SiO₂/Ag 플레이트 위 페로브스카이트 NW를 특징으로 하는 나노공진기의 모달 프로파일을 나타냈습니다. 공진 모드 프로파일 |E|의 횡단면이 (b) z축 프로파일의 배드 지점(x-y 평면), (c) 얇은 갭 중간(NW 아래)(x-z 평면), (d) NW를 이등분하는 평면(y-z 평면)에서 각각 제시되었습니다. 그림 1b에 묘사된 것처럼 공진 모드 프로파일은 유도 하이브리드 갭 모드 특징을 보이며 강하게 구속되어 있습니다. 그림 1d에 예시된 공진 패턴은 NW 광자 누설 모드(차단 치수 미만 폭)와 전파 표면 플라즈몬 파동의 특징을 드러냅니다. 긴 축(z 방향)을 따라 명백한 정재파 패턴이 그림 1c에 묘사된 것처럼 나타나는 것 외에도, 나노스케일 폭의 작은 NW에 의해 정의된 모드의 측면 분포(x 방향)도 충분히 구속되어 플라즈모닉 모드 특성과 일치합니다.

플라즈모닉 하이브리드 페로브스카이트 도파로 특성

가시광에서 근적외선 파장 영역에서 플라즈모닉 레이징 특성을 조사하기 위해 Br-도핑 MAPbCl₃(MAPb(Br_xCl_1-x)₃)와 I-도핑 MAPbBr₃(MAPb(I_yBr_1-y)₃)의 하이브리드 버전 유전율 함수를 조사했습니다. 단결정 페로브스카이트 MAPbX₃에서 유기기, 납 양이온, 할로겐 음이온 상태의 혼성화에서 기인한 복잡한 전자 구성이 다중 전자 전이를 유발합니다. 도핑된 MAPbX₃ 격자에서 이온 교환 반응 중 도입된 도펀트와 공결정은 결정질을 낮추고 이산 전자 상태를 번지게 할 수 있습니다. 따라서 엄격한 제1원리 밴드 계산으로 유전율 함수의 분산 관계상 각 흡수 피크를 밝히는 대신, 혼합 페로브스카이트(MAPb(Br_xCl_1-x)₃)의 방출 에너지 밴드갭(E_g)의 간단한 함수로 유전율 함수 ε을 표시합니다. Moss 규칙 ε(x) = a + b√E_g(x)을 채택했습니다. 유전율 함수 ε은 도핑 조성 x를 가진 혼합 페로브스카이트(MAPb(Br_xCl_1-x)₃)의 방출 에너지 밴드갭 E_g와 관련됩니다. 공식에서 순수 페로브스카이트 MAPbCl₃(x = 0)과 MAPbBr₃(x = 1)의 각각 해당 방출 파장 425, 555 nm에서의 유전율 함수 ε(x)를 사용해 피팅 상수 a, b를 결정했습니다. 순수 페로브스카이트의 에너지 밴드갭은 방출 파장에서 유도했습니다. 이후 관계식 E_g^{MAPb(Br_xCl_1-x)₃}(x) = (1-x)E_g^MAPbCl₃ + xE_g^MAPbBr₃에서 혼합 페로브스카이트의 에너지 밴드갭을 얻었습니다. 그림 2에 표시된 것처럼 유전율 함수에서 복소 굴절률(n, k)을 도출했습니다. Br 함량 증가에 따라 도핑된 MAPb(Br_xCl_1-x)₃는 적색 이동된 에너지 밴드갭을 보이며 더 긴 파장에서 방출합니다. 동일한 절차를 I 도핑 조성 y를 가진 MAPb(I_yBr_1-y)₃의 (n, k) 도출에 적용했습니다(그림 2 우측 부분). MAPbBr₃(y = 0)와 MAPbI₃(y = 1)의 혼합물인 MAPb(I_yBr_1-y)₃는 555~800 nm 장파장에서 방출합니다. 도핑된 페로브스카이트의 굴절률은 그림 2에 나타나며 후속 계산에 사용되었습니다. 순수 페로브스카이트 MAPbCl₃, MAPbBr₃, MAPbI₃의 조성 x = 0, x = 1(y = 0), y = 1에서의 굴절률은 각각 (2.2, 0.013), (2.30, 0.01), (2.49, 0.0009)이며, 각각 425, 555, 800 nm에서 방출합니다.

다음으로 기본 플라즈모닉 갭 모드 특성을 연구했습니다. 이는 페로브스카이트 NW의 누설 광자 유도 모드(차단 주파수 미만)와 갭과 금속 인터페이스에 주로 집중된 표면파 간 결합으로 형성됩니다. 그림 3에 표시된 것처럼, 도핑 조성 x, y가 0~1인 혼합 페로브스카이트 NW MAPb(Br_xCl_1-x)₃와 MAPb(I_yBr_1-y)₃가 SiO₂/Ag, SiO₂/Al, SiO₂/Au 플레이트 위 갭 두께 t_g에서 해당 방출 파장에 대해 유도 하이브리드 플라즈모닉 모드의 모달 손실과 구속 인자를 결정했습니다. 425~555 nm 방출 파장 범위의 페로브스카이트 MAPb(Br_xCl_1-x)₃와 555~800 nm 범위의 MAPb(I_yBr_1-y)₃에 해당하는 유도 모드를 결정했습니다. 이 계산에서 도핑된 페로브스카이트의 복소 굴절률은 그림 2에 나타난 (n, k)입니다. 금속층 Al, Ag, Au의 분산 굴절률은 이전 실험 데이터에서 채택했습니다.

425~555 nm 파장에서 방출하는 페로브스카이트에 대해 NW가 있는 Al 플레이트 플라즈모닉 도파로(WG)는 (Ag 플레이트에 비해) 단파장 근처에서 상대적으로 낮은 모달 손실을 보였습니다(그림 3a). 따라서 Al 플레이트 위 WG에서 하이브리드 모드에서 관찰된 작은 금속 손실은 Ag 플레이트에서 관찰되지 않았습니다. 한 이유는 페로브스카이트/SiO₂/Ag의 표면 플라즈몬 주파수가 λ = 425 nm 근방에 있고 페로브스카이트/SiO₂/Al의 표면 플라즈몬 주파수가 단파장 근방에 있기 때문입니다. 플라즈몬 주파수 근처에서 전하 진동 공명으로 인해 플라즈모닉 파동의 구속이 극도로 강해지며, 이에 따라 근처 전자기 에너지 흡수가 높습니다. 반면 x가 1에 가까운(녹색 장파장 방출) 페로브스카이트 MAPb(Br_xCl_1-x)₃가 Al 플레이트 위에 있을 때 모달 손실은 Ag 플레이트보다 높을 수 있습니다. 고정 갭 두께(t_g = 0, 15, 30 nm)에서 유도 플라즈모닉 갭 모드의 구속 인자도 추가로 결정했습니다. 얇은 갭 내 모달 프로파일의 강한 구속은 금속과의 강한 중첩을 나타내며, 이는 심각한 옴손실을 유발합니다. 이는 갭 두께 증가로 제어할 수 있습니다. Ag 플레이트 위 페로브스카이트 WG의 구속 인자는 Al 플레이트 위 WG보다 상대적으로 높았습니다. 이는 Ag 플레이트에서 이득 매질 근처 플라즈모닉 WG 모드의 강한 구속과 주변과의 작은 중첩을 시사합니다.

유도 모드의 금속과의 제한된 중첩은 앞서 논의한 것처럼 금속 손실이 이 구조에서 모달 손실을 전적으로 책임지기 때문에 더 낮은 모달 손실로 이어집니다. 그림 3b에서 볼 수 있듯이 Ag의 플라즈몬 주파수가 접근할 때(단파장 근처), Al 플레이트 위 WG에서 구속 인자가 더 강해집니다. 플라즈모닉 갭 모드의 구속을 드러내기 위해 고정 t_g = 5 nm에서 Ag 플레이트 위 MAPb(Br_xCl_1-x)₃ NW WG의 모달 프로파일 |E|를 그림 3b 인셋에 나타냈습니다(파장 425 nm(x = 0)와 500 nm(x = 0.58)). 짧은 파장 WG 또는 최소 두께 t_g = 0 nm 근처에서는 나노와이어 광자 모드와 표면 플라즈모닉 모드 간 결합이 더 강해 고도로 구속된 플라즈모닉 모드가 형성됩니다(노란 원 표시). 그러나 더 높은 도핑 조성의 더 긴 방출 파장 페로브스카이트에서는 결합 강도가 약해집니다. 플라즈모닉 갭 모드는 갭 내 강도가 낮아지고 상당한 양의 에너지가 주변 매질로 퍼집니다(빨간 원 표시). 유도 모드의 금속과의 제한된 중첩은 더 낮은 모달 손실로 이어집니다. 모달 손실 곡선 경향은 갭 두께 증가에 따라 감소합니다. 더 긴 파장에서는 두꺼운 갭 WG와 유사하게 낮은 결합 강도가 더 낮은 구속 강도를 초래합니다.

555~800 nm 파장에서 방출하는 하이브리드 페로브스카이트 WG에서 MAPb(Br_xCl_1-x)₃ NW 구조의 경우, Au 플레이트는 (Ag와 Al 플레이트에 비해) 큰 모달 손실을 보여 적합한 플라즈모닉 매질이 아닐 수 있습니다(그림 3c). Au 플레이트는 약 520 nm에서 플라즈모닉 흡수 피크를 보입니다. 따라서 플라즈모닉 파장에 접근할 때 고유 금속 손실이 증가합니다. 그러나 우수한 화학적 안정성으로 인해 Au는 특히 적색과 주황색 파장에서 포토닉 소자의 플라즈모닉 특성 탐색에 선호되는 후보입니다. 이 파장 영역에서 Ag의 굴절률 허수부가 Al보다 작습니다. 약 550 nm 파장에서 금속 손실이 모달 손실을 지배합니다. 갭이 얇든 두껍든 Al의 모달 손실은 Ag보다 큽니다(그림 3c). 그림 3d는 세 WG가 두꺼운 갭에서 더 긴 파장에서 유사한 구속 인자를 보임을 묘사합니다. 구속 인자 곡선 경향과 그림 3d에 예시된 모달 프로파일 특성은 앞서 그림 3b 논의와 유사하게 결합 강도에 의해 영향을 받습니다. 이 기본 플라즈모닉 갭 모드를 기반으로 한 공진기의 공진 모드를 조사하기 위해 각 경우의 투명도 임계 이득을 결정했습니다(그림 4).

플라즈모닉 하이브리드 페로브스카이트 나노레이저 임계값 성능

각 WG의 구속 인자와 모달 손실을 사용해 투명도 임계 이득을 평가함으로써 다양한 금속과 갭 두께의 나노공진기 공진 특성을 비교했습니다. 투명도 임계값은 모달 손실과 구속 인자의 비율로 정의됩니다. 그림 4a에서 Ag는 각 페로브스카이트 MAPb(Br_xCl_1-x)₃ WG에 대해 해당 방출 파장에서 우수한 구속 인자와 투명도 임계값을 보입니다. 최저 임계값을 가진 공진기의 최적 두께는 최소 t_g = 0 경우여야 합니다. 예를 들어 최소 t_g = 0에서 Ag 플레이트 위 플라즈모닉 모드의 투명도 임계 이득은 그림 4a의 λ = 425 nm에서 18470.5, 그림 4b의 λ = 555 nm에서 6259.1로 검은 별표로 표시되었습니다. 이 값들은 다른 갭 두께에서의 값보다 약간 낮았습니다. 표면 플라즈몬 모드와 직접 결합으로 형성된 하이브리드 플라즈모닉 모드는 궁극적으로 구속된 필드를 보입니다. 그러나 끝면 반사체가 철저히 반사하기에 적합한 모달 프로파일은 극도로 구속된 프로파일이 아닐 수 있습니다. 또한 증착 공정 중 산화층이 일반적으로 형성되지만, 시간이 지남에 따라 산화층이 필연적으로 형성될 수 있습니다. Ag 플레이트 상 제한된 두께의 산화층에 대해 두께가 약 5~7 nm일 때 임계값이 상대적으로 낮았습니다. 425 nm에 가까운 파장에서 Al 위 페로브스카이트 WG의 투명도 임계 이득은 더 낮은 물질 손실과 손실 영역과의 실질적 중첩 결과로 Ag보다 약간 낮았습니다. 모달 손실과 구속 인자 논의 및 그림 3 결과로부터 도핑된 페로브스카이트가 주황색, 적색 장파장 또는 적외선 스펙트럼에서 방출할 때 Ag 플레이트 위 공진기의 임계값이 더 낮을 것임을 예상하기 쉽습니다(그림 4b). Au 위 공진기 임계값은 상대적으로 큰 물질 흡수로 인해 상당히 높았습니다. Al은 저비용이고 측정 가능한 산화층 형성 경향이 제한적이지만, 그림 4a, b에 묘사된 것처럼 갭 두께와 도핑 조성에 덜 민감한 허용 가능한 투명도 임계값을 가지므로 이러한 도핑 페로브스카이트 통합 구조에서 여전히 훌륭한 플라즈모닉 매질로 기능할 수 있습니다. 따라서 산화층 코팅이 필요하더라도 Ag가 금속 관련 페로브스카이트 레이징 공정 조사에 최적의 플라즈모닉 매질 선택입니다. 약 5~10 nm 두께의 저굴절률 유전체(산화층)는 유도 플라즈모닉 갭 모드를 유지할 수 있으며, 이 갭 층은 끝면에서 적절한 반사를 유도해 원치 않는 거울 손실을 줄일 수 있습니다.

그림 1b-d에 표시된 모달 프로파일 공간 분포를 결정한 후, 3D FEM으로 얻은 공진 모드의 복소 고유주파수 f_r를 사용해 품질 인자 Q를 Re[f_r]/2 Im[f_r]로 추정했습니다. 고정 갭 두께 t_g = 7 nm에서 세 페로브스카이트(MAPbX₃, X: Cl, Br, I)를 SiO₂ 코팅 Ag와 Al 플레이트 위에 놓은 공진기의 Q-인자 추정값을 비교했습니다. 공정한 비교를 위해 공진기 길이 L을 각 경우 해당 λ에서 4개 유효 파장(4λ/Re[n_eff])으로 설정했습니다. Re[n_eff]는 각 경우 유도 모드의 유효 모달 지수입니다. 가시광 스펙트럼에서 Al의 큰 고유 물질 손실로 인해 Al 플레이트 위 공진기의 Q-인자는 Ag 플레이트 위 공진기와 비교할 수 없었습니다. Q-인자는 λ가 425 nm에 가까울 때 확실히 더 높았습니다. 그러나 얇은 갭 근처 이득 영역 내 하이브리드 플라즈모닉 모드 구속 능력은 구속 인자가 나타낸 것처럼 덜했습니다. 따라서 Q-인자 비교도 가시광 스펙트럼에서 페로브스카이트 통합 플라즈모닉 구조에 Ag가 선호됨을 시사합니다. 따라서 끝면 산란 손실이 공진기 성능 저하의 지배적 요인이 아닐 수 있습니다. 그림 4b에 묘사된 최저 투명도 임계 이득이 가리키는 것처럼 800 nm에 가까운 파장에서 Ag 플레이트 위 공진 모드는 잠재적으로 상대적으로 높은 Q-인자 값을 드러내며, 이는 향후 플라즈몬 강화 엑시톤-광자 결합 및 바이오센싱 관련 응용 잠재력을 나타냅니다.

펌핑 파워 의존적 광발광을 측정해 방출 스펙트럼을 분석하고 다양한 펌핑 입력에서 레이징 파워를 기록했습니다(그림 5). SiO₂ 코팅 Ag 플레이트 위 MAPbBr₃ NW 공진기의 방출 스펙트럼은 그림 5a에 표시되어 있습니다. 방출 스펙트럼의 피크들을 피팅해 MAPbBr₃ 나노레이저의 광-광(L-L) 곡선을 얻었습니다. 방출 스펙트럼에서 임계값(약 1.62 μW 평균 파워) 이상의 펌핑 파워에서 출력 파워가 급격히 증가하며, 해당 L-L 곡선에서도 급격한 변화가 관찰되었습니다(그림 5b). 펌핑 파워가 레이징 임계값을 넘으면 레이징 출력의 단일 피크 방출 선폭이 7.6 nm에서 약 0.5 nm로 감소합니다. 출력 신호는 NW 끝면에서 수집되었습니다. 임계 파워는 Ag 플레이트 위 ZnO NW 나노레이저보다 한 자릿수 더 작습니다. 가능한 이유는 MAPbBr₃가 ZnO보다 우수한 물질 이득을 제공하고, 550 nm에서 370 nm보다 내부 손실이 더 작기 때문일 수 있습니다. 또한 페로브스카이트 NW 플라즈마 레이저는 온도에 따라 다양한 임계값을 보입니다. 실온에서 강한 펌핑 파워로 작동하면서 소자 성능을 유지하고 심각한 물질 소모와 열적 열화 없이 작동하려면 페로브스카이트 NW의 열적 안정성과 결정질이 개선해야 할 핵심 파라미터일 수 있습니다. 저임계값, 좁은 선폭 같은 바람직한 특성은 미래 소형 능동 포토닉 소자 응용 잠재력을 확장합니다.

결론

도핑된 페로브스카이트 나노와이어가 세 종류의 SiO₂ 코팅 금속(Ag, Al, Au) 플레이트 위에 놓인 페로브스카이트 기반 나노레이저의 유도 모드 특성, 투명도 임계 이득, 추정 품질 인자 등 레이저 파라미터에 대한 풀스펙트럼 분석을 수행했습니다. FEM 계산 결과 Ag가 페로브스카이트 MAPbX₃ 기반 광전자 응용에 적합한 플라즈모닉 금속 선택임이 밝혀졌습니다. 제안된 나노공진기(MAPbBr₃ 나노와이어가 SiO₂/Ag 플레이트 위)는 나노스케일 출력 풋프린트에 해당하는 낮은 레이징 임계값과 좁은 선폭을 보였습니다. 이러한 장점은 엑시톤-폴라리톤-광자 강한 결합을 초래할 수 있습니다. 페로브스카이트가 가진 우수한 전하 특성으로 이 방식은 차세대 광원 개발에 적합한 후보입니다.