Perowskit-Materialien sollen wegen ihrer verblüffend hohen Wirkungsgrade nicht nur zu günstigeren Solarzellen führen. Auch als Lasermaterial sind die hybriden organisch-anorganischen Kristalle mit variabler Bandlücke prinzipiell geeignet. Neben geringen Fertigungskosten lockt eine neue Laser-Klasse mit einstellbaren Wellenlängen. Auf diesem Weg gelang nun einer Forschergruppe aus den USA erstmals die Anregung einer kontinuierlichen Lichtemission, die länger als eine Stunde anhielt.
Abb.: Schichtaufbau eines Prototyps für einen Perowskit-Laser, der länger als eine Stunde kontinuierlich korreliertes Licht emittierte. (Bild: Y. Jia et al. / NPG)
Yufei Jia von der Pennsylvania State University und seine Kollegen von der Princeton University nutzten für ihre Laser-Prototypen das Perowskit-Material Methylammoniumbleiiodid. Es zeigte bereits in früheren Studien, dass es prinzipiell als Halbleiter für die verstärkte spontane Emission von Licht geeignet ist. Mit lithografischen Verfahren deponierten die Forscher eine strukturierte Schicht aus Aluminiumoxid auf einer Saphir-Unterlage und bedeckten diese mit einem nasschemischen Verfahren mit einer 120 Nanometer dünnen Perowskit-Schicht.
Frühere Versuche mit diesem erprobten Perowskit-Material zeigten bei Temperaturen über 160 Kelvin bereits, dass nach einem optischen Pumpen eine Emission von Laserlicht prinzipiell möglich ist. Doch währte der Effekt nur einige Dutzend Nanosekunden und war daher für weitere Entwicklungen oder technische Anwendungen nicht zu nutzen. Um dieses „Laser-Tod-Phänomen“ zu vermeiden, kühlten Jia und seine Kollegen ihre Prototypen auf bis zu hundert Kelvin ab. Dabei durchliefen die Perowskit-Kristalle einen Phasenwechsel von einer tetragonalen Struktur zu einem orthorhombischen Aufbau.
Angeregt mit 920 Nanosekunden langen Pulsen einer Laserdiode aus Indiumgalliumnitrid mit einer Wellenlänge von 445 Nanometern und einer Intensität von 37,5 Kilowatt pro Quadratzentimeter reagierte das Perowskit-Material mit der kontinuierlichen Emission von Laserlicht. Anfangs fand sich das Emissionsmaximum bei 750 Nanometern Wellenlänge, das sich kurz darauf etwas zu einem Maximum bei 790 Nanometer verschob. Dieses Verhalten ließ sich mit mehreren Modulen reproduzieren. Im deutlichen Unterschied zu früheren Versuchen blieb die Emission von Laserlicht dank der permanenten Kühlung auf etwa hundert Kelvin etwas länger als eine Stunde stabil.
Die Lichtemission bei 790 Nanometern Wellenlänge konnten die Wissenschaftler der optischen Anregung der orthorhombischen Perowskitphase zuordnen. Die etwas kürzere Wellenlänge wurde dagegen von der tetragonalen Perowskitphase emittiert. Von den anregenden Laserpulsen etwas erwärmt, fand punktuell innerhalb von Zeitspannen kürzer als einer Mikrosekunde ein Phasenwechsel statt, der ohne Lichteinfall wegen der anhaltenden Kühlung reversibel war. Warum allerdings der punktuelle Wechsel zur tetragonalen Perowskitphase, die zuvor für eine kontinuierliche Lichtemission nicht geeignet war, nun einen länger anhaltenden Lasereffekt ermöglichte, konnten die Forscher bisher nicht klären.
In weiteren Versuchen wollen Jia und seine Kollegen das Verhalten der Perowskit-Mischphasen – tetragonal und orthorhombisch – besser analysieren. Doch ihre Experimente zeigen jetzt schon, dass Perowskite durchaus für eine neue Klasse von Lasern geeignet sind. Eine kontinuierliche Lichtemission gilt als gute Ausgangsposition, um die optische Anregung durch eine rein elektrische ersetzen zu können. Sollte auch dieser Schritt gelingen, ließen sich Perowskit-Laserdioden mit je nach chemischer Zusammensetzung variablen Wellenlängen günstig in nasschemischen Verfahren produzieren.
Jan Oliver Löfken
RK
