ペロブスカイト表面プラズモンナノレーザー：波長チューニング可能 & 低閾値性能

概要

ハイブリッドペロブスカイトベースの表面プラズモンナノレーザーの特性を体系的に研究しました。ペロブスカイトのアニオン組成を変えることで、発光波長を容易にチューニングできます。SiO₂でコーティングされた異なる金属（Au、Ag、Al）プレート上に配置されたハイブリッドペロブスカイトナノワイヤを特徴とするフルスペクトルモデリングを実施しました。提案されたプラズモニックギャップモードを支持するナノキャビティは、低透明度閾値ゲインや低レーザー閾値など、ナノレーザーの優れた特性を示しました。Ag上のMAPbBr₃ナノレーザーの実験結果でも、低閾値動作が確認されました。これらの優れた特性は、強い結合による光物質相互作用の増強に起因します。したがって、ゲイン材料としてハイブリッドペロブスカイトを統合した提案スキームは、可視から近赤外スペクトルにおけるナノスケールプラズモンレーザーの優れたプラットフォームを提供します。

はじめに

メチルアンモニウム鉛ハライドペロブスカイト MAPbX₃（MA = CH₃NH₃、X = I、Br、Cl）は、有機無機ハイブリッド半導体の一種で、非放射性再結合率が低くキャリア寿命が長いため、半導体レーザーに適した優れた光学特性を示します[1]。また、混合ハライドハイブリッドペロブスカイトは、可視光および近赤外領域の一部をカバーする発光波長に対応する広いエネルギーバンドギャップのチューニングが可能です[2,3,4]。いくつかのペロブスカイトは、薄膜、ナノプレート、ナノ結晶の形で効率的な光ゲイン材料であることが証明されています[2, 4,5,6,7,8,9,10]。しかし、高いレーザー閾値は、ペロブスカイトを電気駆動レーザー[11]や光電子統合システムなどの実用的な応用に使用する際の懸念事項です。高い結晶品質（単結晶）は散乱損失を減らし[12]、ポンピングプロセス中の閾値を下げる可能性があります。最近、溶液プロセス可能なペロブスカイトナノワイヤ（NW）が成功裏に実証されました[1]。両端面が反射鏡として機能するため、ペロブスカイトNWは自然に微小化された光学キャビティを形成します。強い固有励起子振動子強度による優れた電気的特性に加え、これらの利点により、ペロブスカイトNWは室温、低コスト、低閾値、コンパクトなサイズの励起子ポラリトンレーザーなどの微小デバイスの実現に優れたプラットフォームとなります[6, 13,14,15,16]。

しかし、NWキャビティに関連する光学モードのフットプリントは回折限界によって制限されます。表面プラズモンポラリトン（SPP）は、電磁モードの特徴サイズを最小化するために使用されてきました[17, 18]。最近、さまざまなプラズモニックNWキャビティが研究されています[19,20,21,22,23]。金属-絶縁体-半導体スキームのキャビティは、ハイブリッドプラズモニックギャップモードを維持するために特に有望です[24,25,26,28]。したがって、ドープされたまたは純粋なペロブスカイトNWのサンプルを絶縁体コーティング金属プレート上に配置し、プラズモニックファブリペローキャビティを形成しました。プラズモニックギャップ導波モードがNW長軸に沿って循環することで生じる共振モードは、NWによって強く閉じ込められます。縮小された有効モード体積は、局所光子状態密度と励起子と光子の結合強度を高めることができます。本研究では、堅牢なキャビティとしての提案ナノレーザーのレーザー特性を調査しました。例えば、NWの端面がガイドされたプラズモニックギャップモードをミラーとして反射するには不十分な場合があり、キャビティの閾値ゲインを大幅に増加させる可能性があります。また、可視から近赤外波長スペクトル領域全体で、金（Au）、銀（Ag）、アルミニウム（Al）、銅（Cu）などの一般的なプラズモニック金属が、レーザー性能を悪化させることなくモード体積を効率的に低減できるかどうかも、集中的な研究関心の対象です。

本研究では、有限要素法（FEM: COMSOLパッケージ[29]）を用いて、SiO₂コーティングされた異なる金属（Au、Ag、Al）プレート上に配置されたペロブスカイトベースのナノレーザーの特性を広いスペクトル範囲で解析しました。単結晶純粋ペロブスカイトMAPbX₃の場合、第1ブリルアンゾーンにおけるバンド遷移に関連するスペクトルゲインウィンドウは、X = Cl、Br、Iに対してそれぞれ約2.9 eV、2.2 eV、1.5-1.6 eV[30]で、対応する発光波長λ = 425、555、800 nmとなります。提案されたナノキャビティの活性領域を示すFig. 1aのインセットに描かれたNWは、滑らかな表面形態を示し、レーザー発振中の散乱損失を低減できます。イオン交換反応法[31]を用いてペロブスカイトを異なるハロゲンアニオンでドープしたものに変換することで、ペロブスカイトの発光スペクトルをほぼ全可視波長領域に拡張できます。すべてのプラズモニック金属の中で、Agは可視波長領域で比較的低い金属損失を示し、Alは低コスト元素でありながら青色から紫外波長領域で優れたプラズモニック特性を持つため大きな注目を集めています[32]。Auは一般的に赤外領域でのプラズモン波生成に適していると考えられています。これら3つの金属をプラズモニック媒質として選択し、システム内の電荷-光子相互作用を増強しました。

プラズモニックペロブスカイトナノキャビティ。a 提案されたプラズモニックナノキャビティの概略図。ペロブスカイトナノワイヤがSiO₂で覆われた金属基板上に配置されています。数マイクロメートルの長さを持つナノワイヤの両端面が反射鏡として機能し、自然にプラズモニックキャビティを形成します。インセットは、SiO₂で覆われたAg基板上のMAPbBr₃ NWの光学顕微鏡写真です。b-d 3次元有限要素法で計算されたキャビティ共振モードの電場成分|E|のモーダルプロファイル（横断面図）。(b)に強く閉じ込められたプラズモニックギャップモードのモーダルプロファイルが示されています。(d)に示される共振パターンは、NW光子モードと伝播表面プラズモン波の結合から生じるハイブリッドプラズモニックモードの特徴を描写しています。長軸（z方向）に沿った明確な定常波パターン(c)に加え、横方向（x方向）へのモードの閉じ込めも十分に強力です。

まず、2次元（2D）FEMを用いて、SiO₂/Ag、SiO₂/Al、SiO₂/Au金属プレート上の基本的なハイブリッドプラズモニックガイドモードのモーダル特性を調査しました。ハイブリッドプラズモニックギャップモードは、絶縁体-金属界面における光子モードと表面プラズモンモードの結合から生じます。強い結合強度は、モードが金属と大きくオーバーラップするため、深刻な固有材料損失をもたらす可能性があり、これはギャップ厚さt_gに大きく依存します。したがって、Fig. 1bに示すように、さまざまなギャップ厚さt_gにおけるハイブリッドプラズモニックギャップモードのモーダル損失、モーダルプロファイル、閉じ込め因子、透明度閾値ゲインを解きました。NWの幅を100 nm、キャビティ長Lを2.67 μmに設定しました。これは自己組織化法で得られるNWと比較可能です[33, 34]。その後、3次元（3D）FEM[29]を用いてナノキャビティ内の共振モードの計算を実施しました。経験的計算により、AgがMAPbBr₃ナノレーザーにとって最適な金属であることが証明されました。

したがって、光ポンピングによりSiO₂で覆われた銀基板上に低閾値MAPbBr₃ナノレーザーを開発しました。提案されたナノレーザーは、極めて小さなモーダルフットプリント、低レーザー閾値、チューニング可能な発光波長を示し、将来的に次世代光源などの応用に使用できます。

方法

ペロブスカイトナノワイヤキャビティの作製

Agがナノレーザー動作において最良のプラズモニック特性を示したため、スペーサー層として10 nm厚のSiO₂を持つAgプレート上のMAPbBr₃ NWを用いてナノレーザー性能を調査しました。Agプレートは、Si基板上に電子銃蒸着法で作製し、成長とアニーリングパラメータを平坦な表面粗さのために最適化した後、SiO₂層を堆積しました[35]。MAPbBr₃ NWの合成は、ワンステップ溶液自己組織化法[33, 34]に基づいています。まず、0.15 mmolのMABrと0.15 mmolのPbBr₂粉末を5 mlのN,N-ジメチルホルムアミドに溶解し、前駆体溶液としました。この前駆体溶液をSiO₂で覆われたAgプレート上に滴下しました。次に、Agプレートを支持する基板を、ジクロロメタンを含むビーカー内のステージ上に配置しました。基板はジクロロメタンの液面から約3 cm上にありました。最後に、アルミ箔1層で覆ったビーカーを60°Cのインキュベーター内に置きました。4時間でビーカー内の液体の蒸発プロセスが完了し、SiO₂で覆われたAgプレート上にMAPbBr₃ NWが得られました。その後、Fig. 1aに示す構成のNWナノキャビティを、77 Kで高真空チャンバーにマウントしました。

レーザー作用の評価

単一NWキャビティのレーザー作用を調査するため、幅約100 nm、長さ約3 μmのMAPbBr₃ NWを走査型電子顕微鏡で探索しました。それらのNWの位置を特定した後、サンプルを光ポンピング用のクライオチャンバーに配置しました。Nd:YVO₄パルスレーザーの第3高調波（355 nm）をポンピング光源として使用し、パルス持続時間と繰り返し周波数はそれぞれ0.5 nsと1 kHzでした。開口数0.5の×100近紫外無限遠補正対物レンズ（ミツトヨ）を用いて、レーザービームをMAPbBr₃ NWに集光し、焦点スポットサイズを約15 μm径としました。一度に1本のNWのみをポンピングしました。その後、同じ対物レンズを用いてMAPbBr₃ NWの発光信号を収集しました。コア径600 μmの光ファイバーをレンズに取り付け、ファイバーのもう一方の端に窒素冷却電荷結合素子を320 mm長のシングルモノクロメーター（iHR320、Horiba）に取り付け、NWの端面ミラーからの出力発光をさまざまな周波数で収集しました。

結果と考察

提案されたナノキャビティは、Fig. 1aに示すように低閾値と強いモーダル閉じ込めを示します。キャビティの特性を調べるために共振モードを決定しました。SiO₂/Agプレート上のペロブスカイトNWを特徴とするナノキャビティのモーダルプロファイルをFig. 1に示します。共振モードプロファイル|E|の横断面図を、z軸に沿ったプロファイルの腹部での(x-y平面)(b)、薄いギャップの中央（NWの下）(x-z平面)(c)、NWを二等分する(y-z平面)(d)でそれぞれ示しました。Fig. 1bに示すように、キャビティモードのプロファイルは確かにガイドされたハイブリッドギャップモードの特徴を持って強く閉じ込められています。Fig. 1dに示される共振パターンは、NW光子漏洩モード（カットオフ寸法以下の幅）と伝播表面プラズモン波の両方の特徴を明らかにしています。長軸（z方向）に沿った明確な定常波パターン(Fig. 1c)に加え、モードの横方向分布（x方向）もナノスケール幅の小さなNWによって定義され、十分に閉じ込められており、プラズモニックモードの特性と一致します。

プラズモニックハイブリッドペロブスカイト導波路の特性

可視から近赤外波長領域におけるプラズモニックレーザー特性を調査するため、BrドープMAPbCl₃（MAPb(Br_xCl_1-x)₃）およびIドープMAPbBr₃（MAPb(I_yBr_1-y)₃）のハイブリッド版の誘電関数を調べました。単結晶ペロブスカイトMAPbX₃では、有機基、鉛陽イオン、ハロゲン陰イオン状態のハイブリダイゼーションから生じる複雑な電子構造が複数の電子遷移を引き起こします。ドープされたMAPbX₃の格子では、イオン交換反応中に導入されるドーパントと空孔が結晶品質を低下させ、離散的な電子状態をぼかす可能性があります。したがって、誘電関数の分散関係における各吸収ピークを明らかにするための厳密な第一原理バンド計算[36]を行う代わりに、ドーピング組成xを持つ混合ペロブスカイト（MAPb(Br_xCl_1-x)₃）の発光エネルギーバンドギャップE_gの簡単な関数として誘電関数εを表します。Mossの法則[37]、ε(x) = a + b√E_g(x)を採用しました。誘電関数εは、ドーピング組成xを持つ混合ペロブスカイトの発光エネルギーバンドギャップE_gに関連しています。この式において、純粋ペロブスカイトMAPbCl₃（x = 0）とMAPbBr₃（x = 1）のそれぞれの発光波長425 nmと555 nm[30]における誘電関数ε(x)を用いて、フィッティング定数aとbを決定しました。純粋ペロブスカイトのエネルギーバンドギャップは発光波長から導出しました。その後、混合ペロブスカイトのエネルギーバンドギャップをE_g^{MAPb(Br_xCl_1-x)₃}(x) = (1-x)E_g^MAPbCl₃ + xE_g^MAPbBr₃[38]の関係から求めました。Fig. 2に示すように、各ドーピング組成xにおける誘電関数からn(x) + ik(x) = √ε(x)として、MAPb(Br_xCl_1-x)₃の複素屈折率(n, k)を導出しました。Br含有量の増加に伴い、ドープされたMAPb(Br_xCl_1-x)₃は赤方偏移したエネルギーバンドギャップを示し、より長い波長で発光します。同じ手順をIドーピング組成yを持つMAPb(I_yBr_1-y)₃の(n, k)導出にも適用し、Fig. 2の右側に示しました。MAPbBr₃（y = 0）とMAPbI₃（y = 1）の混合物であるMAPb(I_yBr_1-y)₃は、555 nmから800 nmの長波長で発光します。ドープペロブスカイトの屈折率をFig. 2に示し、以降の計算で使用しました。組成x = 0、x = 1（y = 0）、y = 1における純粋ペロブスカイトMAPbCl₃、MAPbBr₃、MAPbI₃の屈折率はそれぞれ(2.2, 0.013)、(2.30, 0.01)、(2.49, 0.0009)で、発光波長は425 nm、555 nm、800 nmです。

組成ハイブリッドMAPbX₃の分散特性。さまざまな組成（xおよびy）を持つハイブリッドペロブスカイトMAPb(Br_xCl_1-x)₃（緑線）とMAPb(I_yBr_1-y)₃（赤線）の複素屈折率(n, k)。可視および赤外スペクトルで発光します。組成x = 0、x = 1（y = 0）、y = 1における純粋ペロブスカイトMAPbCl₃、MAPbBr₃、MAPbI₃の屈折率は(2.2, 0.013)、(2.30, 0.01)、(2.49, 0.0009)。発光波長λ = 425、555、800 nm。

次に、ペロブスカイトNWの漏洩光子ガイドモード（カットオフ周波数以下）と、ギャップと金属の界面に主に集中する表面波との結合によって形成される基本的なプラズモニックギャップモードの特性を研究しました。Fig. 3に示すように、ドーピング組成xおよびyが0から1の範囲で、SiO₂/Ag、SiO₂/Al、またはSiO₂/Auプレート上のギャップ厚さt_gにおける、混合ペロブスカイトNW（MAPb(Br_xCl_1-x)₃およびMAPb(I_yBr_1-y)₃）のガイドされたハイブリッドプラズモニックモードのモーダル損失と閉じ込め因子[24]を決定しました。ペロブスカイトMAPb(Br_xCl_1-x)₃については425 nmから555 nm、MAPb(I_yBr_1-y)₃については555 nmから800 nmの広い発光波長範囲に対応するガイドモードを決定しました。これらの計算では、ドープペロブスカイトの複素屈折率をFig. 2に示す(n, k)としました。金属層Al、Ag、Auの分散屈折率は、先行実験データ[39]から採用しました。

ガイドモードのモーダル損失と閉じ込め因子。a, c モーダル損失、b, d 閉じ込め因子。固定SiO₂ギャップ厚さt_g = 0（青線）、5（赤線）、15（緑線）nmにおけるガイドされたプラズモニックギャップモード。光ルミネッセンススペクトルλ = 425から800 nmに対応するドープペロブスカイト。ハイブリッドペロブスカイトMAPb(Br_xCl_1-x)₃ WGのAg（実線）およびAlプレート（一点鎖線）上のものは(a, b)に示すように計算されました。ペロブスカイトMAPb(I_yBr_1-y)₃ WGのAg（実線）、Al（一点鎖線）、Au（破線）プレート上のものは、λ = 555から800 nmで(c, d)に示すように解かれました。(b, d)のインセットは、t_g = 5 nmのSiO₂で覆われたAgプレート上のドープペロブスカイト組成x = 0（黄色円）、x = 0.58（赤色円）、y = 0（橙色円）、y = 0.59（緑色円）におけるガイドされたプラズモニックギャップモードのモーダルプロファイル|E|を示しています。

425 nmから555 nmの波長で発光するペロブスカイトに関して、Alプレート上のNWを持つプラズモニック導波路（WG）は、短波長付近ではAgプレートの場合と比較して相対的に低いモーダル損失を示しました（Fig. 3a）。したがって、Alプレート上のWGにおけるハイブリッドモードで観察された小さな金属損失は、Agプレート上では観察されませんでした。その理由の1つは、ペロブスカイト/SiO₂/Agの表面プラズモン周波数がλ = 425 nm付近にあり、ペロブスカイト/SiO₂/Alのそれが短波長付近にあることです。プラズモン周波数付近では電荷振動共鳴によりプラズモニック波の閉じ込めが極めて強くなるため、近傍の電磁エネルギー吸収が高くなります。一方、xが1に近い（緑色の長波長で発光する）ペロブスカイトMAPb(Br_xCl_1-x)₃を持つAlプレート上のWGでは、モーダル損失がAgプレート上のものより高くなる可能性があります。また、固定ギャップ厚さ（t_g = 0、15、30 nm）におけるガイドされたプラズモニックギャップモードの閉じ込め因子も決定しました。薄いギャップ内でのモーダルプロファイルの強い閉じ込めは金属との強いオーバーラップを示し、深刻なオーム損失を引き起こします。これはギャップ厚さを増やすことで制御されました。Agプレート上のペロブスカイトWGの閉じ込め因子は、Alプレート上の他のWGよりも相対的に高かったです。これは、Agプレート上でゲイン媒質近くのプラズモニックWGモードが強く閉じ込められ、周囲とのオーバーラップが小さいことを示唆しています。

ガイドモードの金属との限られたオーバーラップは、前述のように金属損失がこのスキームにおけるモーダル損失の唯一の原因であるため、より低いモーダル損失につながります。Fig. 3bに示すように、Agのプラズモン周波数が近づく（短波長付近）と、Alプレート上のWGで閉じ込め因子が強くなります。プラズモニックギャップモードの閉じ込めを明らかにするため、Fig. 3bのインセットに示すように、固定t_g = 5 nmにおけるAgプレート上のMAPb(Br_xCl_1-x)₃ NW WGのモーダルプロファイル|E|を、波長425 nm（x = 0）と500 nm（x = 0.58）で計算しました。より短い波長、または最小厚さt_g = 0 nm付近では、ナノワイヤ光子モードと表面プラズモニックモードの結合が強く、高度に閉じ込められたプラズモニックモードとなります（黄色円のプロット）。一方、より高いドーピング組成を持つペロブスカイトの長い発光波長では、結合強度が弱くなります。プラズモニックギャップモードはギャップ内で弱い強度を示し、相当量のエネルギーが周囲の媒質に広がります（赤色円の図）。ガイドモードの金属との限られたオーバーラップは、モーダル損失の低下をもたらします。ギャップ厚さの増加に伴い、モーダル損失曲線の傾向は低下します。長波長では、厚いギャップを持つWGと同様に、低い結合強度が低い閉じ込め強度をもたらします。

555 nmから800 nmの波長で発光するハイブリッドペロブスカイトを持つWGでは、MAPb(Br_xCl_1-x)₃ NWを用いたスキームにおいて、AuプレートはAgおよびAlプレートと比較して大きなモーダル損失を示すため、適切なプラズモニック媒質ではない可能性があります（Fig. 3c）。Auプレートは約520 nmでプラズモニック吸収ピークを示します。したがって、プラズモン波長に近づくと固有金属損失が増加します。しかし、優れた化学的安定性により、Auは特に赤色と橙色の波長でのフォトニックデバイスにおけるプラズモニック特性の探求に好ましい候補となります。この波長領域ではAgの屈折率の虚部がAlよりも小さいため、約550 nm波長では金属損失がモーダル損失を支配します。ギャップが薄いか厚いかに関わらず、Alの対応するモーダル損失はAgよりも大きくなります（Fig. 3c）。Fig. 3dは、長波長では3つのWGの厚いギャップにおける閉じ込め因子が類似していることを示しています。閉じ込め因子曲線の傾向とFig. 3dに示されるモーダルプロファイルの特性は、Fig. 3bの前述の議論と同様に、結合強度によって影響を受けます。この基本的なプラズモニックギャップモードに基づくキャビティ内の共振モード（最もレーザー発振しやすいもの）を調査するため、各ケースにおける透明度閾値ゲインを決定し、Fig. 4に示しました。

基本ハイブリッドプラズモニックギャップモードの透明度閾値ゲイン。ハイブリッドペロブスカイトを持つ構造において、a SiO₂コーティングAgおよびAlプレート上のMAPb(Br_xCl_1-x)₃ NW、b SiO₂コーティングAl、Ag、Auプレート上のさまざまな組成のMAPb(I_yBr_1-y)₃ NW。それぞれ対応するペロブスカイト発光波長において。最小ギャップ厚さt_g = 0において、Agプレート上のプラズモニックモードの透明度閾値ゲインは、(a)のλ = 425 nmで18470.5、(b)のλ = 555 nmで6259.1であり、黒星で示されています。

プラズモニックハイブリッドペロブスカイトナノレーザーの閾値性能

各WGの閉じ込め因子とモーダル損失を用いて透明度閾値ゲインを評価し、さまざまな金属とギャップ厚さを持つナノキャビティの共振特性を比較しました。透明度閾値は、モーダル損失と閉じ込め因子の比として定義されます[24]。Fig. 4aに示すように、Agは各ペロブスカイトMAPb(Br_xCl_1-x)₃ WGに対して、その発光波長において優れた閉じ込め因子と透明度閾値を示します。最低閾値を持つキャビティの最適厚さは、t_g = 0の最小ケースであるべきです。例えば、最小t_g = 0において、Agプレート上のプラズモニックモードの透明度閾値ゲインは、Fig. 4aのλ = 425 nmで18470.5、Fig. 4bのλ = 555 nmで6259.1であり、黒星で示されています。これらの値は他のギャップ厚さでの値よりわずかに低くなっています。表面プラズモンモードとの直接結合によって形成されるハイブリッドプラズモニックモードは、究極的に閉じ込められた場を示します。しかし、エンド反射鏡が完全に反射するのに適したモーダルプロファイルは、極めて閉じ込められたプロファイルであるとは限りません。さらに、堆積プロセス中に酸化層が一般的に形成されますが、時間の経過とともに避けられない酸化層が形成されることもあります。Agプレート上の限られた厚さの酸化層に関しては、厚さが約5〜7 nmのときに閾値が相対的に低くなりました。425 nmに近い波長では、ペロブスカイトWGのAl上での透明度閾値ゲインが、より低い材料損失と損失領域との実質的なオーバーラップの結果として、Ag上のものよりわずかに低くなりました。モーダル損失と閉じ込め因子の議論およびFig. 3の結果から、ドープペロブスカイトが橙色、赤色、または赤外スペクトルの長波長で発光するAgプレート上のキャビティの閾値が低いことは容易に予想できます（Fig. 4b）。Au上のキャビティでは、比較的大きな材料吸収のために閾値がかなり高くなりました。Alは低コストで測定可能な酸化層を形成する傾向が限られていますが、ドープペロブスカイト組み込みスキームにおいて、許容可能な透明度閾値に対応し、ギャップ厚さとドーピング組成に対して感度が低いため、優れたプラズモニック媒質として機能し得ます（Fig. 4a, b）。したがって、酸化層でコーティングする必要があるものの、Agは金属関連ペロブスカイトレーザープロセスの調査におけるプラズモニック媒質として最良の選択肢です。約5〜10 nm厚の低屈折率誘電体（酸化層）は、ガイドされたプラズモニックギャップモードを維持できます。このギャップ層は、エンド面での適切な反射をもたらし、望ましくないミラー損失を低減する可能性があります。

Fig. 1b-dに示すモーダルプロファイルの空間分布を決定した後、3D FEMで得られた共振モードの複素固有周波数f_rを用いて、Q = Re[f_r]/2 Im[f_r]として品質因子Qを推定しました。固定ギャップ厚さt_g = 7 nmにおいて、3種類のペロブスカイト（MAPbX₃、X: Cl、Br、I）をSiO₂コーティングAgおよびAlプレート上に配置したキャビティで得られた共振モードの推定Q因子値を比較しました。公平な比較のため、キャビティ長Lを各ケースでのガイドモードの実効モーダル指数Re[n_eff]を用いて、対応するλにおける4実効波長（4λ/Re[n_eff]）に設定しました。可視スペクトルにおけるAlの大きな固有材料損失のため、Alプレート上のキャビティのQ因子はAgプレート上のものと比較できませんでした。λが425 nmに近いキャビティではQ因子が確かに高くなりました。しかし、閉じ込め因子で示されるように、薄いギャップ近くのゲイン領域内でハイブリッドプラズモニックモードを閉じ込める能力は劣っていました。したがって、Q因子の比較もまた、可視スペクトルにおけるペロブスカイト組み込みプラズモニックスキームではAgが好ましいことを示唆しています。したがって、エンド面からの散乱損失がキャビティ性能を劣化させる支配的な要因ではない可能性があります。Fig. 4bに示される最低透明度閾値ゲインが示すように、800 nm付近のAgプレート上の共振モードは、比較的高いQ因子値を潜在的に示し、プラズモン増強励起子-光子結合やバイオセンシングに関連する将来の応用への可能性を示唆しています。

パワー依存性光ルミネッセンスを測定し、さまざまなポンピング入力での発光スペクトルを記録し、レーザー出力を記録しました（Fig. 5）。SiO₂で覆われたAgプレート上のMAPbBr₃ NWを持つキャビティの発光スペクトルをFig. 5aに示します。スペクトル内の発光ピークをフィッティングして、MAPbBr₃ナノレーザーの光-光（L-L）曲線を取得しました。発光スペクトルにおいて、閾値以上のポンピングパワー（平均パワー約1.62 μW）で出力パワーが劇的に増加し、対応するL-L曲線でも急激な変化が観察されました（Fig. 5b）。ポンピングパワーがレーザー閾値を超えると、レーザー出力の単一ピーク発光線幅が7.6 nmから約0.5 nmに減少しました。出力信号はNWの端面ミラーから収集されました。閾値パワーは、Agプレート上のZnO NWナノレーザーのものより1桁小さいです。考えられる理由は、ZnOよりもMAPbBr₃が提供する優れた材料ゲインと、370 nmよりも550 nmでの内部損失が小さいことです[35]。また、ペロブスカイトNWプラズモンレーザー[26,27,28]は、異なる温度でさまざまな閾値を示します。室温で強いポンピングパワー下で動作しながら、深刻な材料アブレーションや熱劣化なしにデバイス性能を維持するには、ペロブスカイトNWの熱安定性[40]と結晶品質[41]が改善すべき重要なパラメータとなります。低閾値や狭い線幅などの望ましい特性は、将来の微小アクティブフォトニックデバイスへの潜在的な応用を広げます。

レーザー特性。a 閾値以下（1.4 μW）、付近（1.62 μW）、以上（3.43 μW）のポンピングパワーにおける代表的な発光スペクトル。b MAPbBr₃ NWプラズモンナノレーザーのL-L曲線（赤丸）と、ポンピング強度増加に伴う優占ピークの線幅の変化（青丸）。SiO₂で覆われたAgプレート上。

結論

ドープペロブスカイトナノワイヤを3種類のSiO₂コーティング金属（Ag、Al、Au）プレート上に配置したペロブスカイトベースのナノレーザーについて、ガイドモード特性、透明度閾値ゲイン、推定品質因子などのレーザーパラメータのフルスペクトル解析を実施しました。FEMを用いた計算結果から、AgがペロブスカイトMAPbX₃ベースの光電子応用におけるプラズモニック金属として適切な選択肢であることが明らかになりました。提案されたナノキャビティ（SiO₂/Agプレート上のMAPbBr₃ナノワイヤ）は、ナノスケール出力フットプリントに対応する低レーザー閾値と狭い線幅を示しました。これらの利点は、励起子ポラリトン-光子の強い結合をもたらす可能性があります。ペロブスカイトが持つ優れた電荷特性と合わせて、このスキームは次世代光源の開発に適した候補となります。

データと材料の可用性

この記事の結論を支持するすべてのデータは、記事内に含まれています。

略語

2D:

二次元

3D:

三次元

FEM:

有限要素法

L-L:

光-光

NUV:

近紫外

NW:

ナノワイヤ

SPP:

表面プラズモンポラリトン

WG:

導波路