Un nanoalambre compuesto de cesio, plomo y bromuro (CsPbBr3), emite una luz láser brillante después de recibir un pulso de otra fuente láser. El láser de nanocables demostró ser muy estable, emitiendo luz láser durante más de una hora. También se demostró que se puede sintonizar ampliamente en las longitudes de onda verde y azul. La línea blanca es una barra de escala que mide 2 micrones, o millonésimas de pulgada. Crédito:Crédito:Sam Eaton / UC Berkeley
Los nanocables con diámetros tan pequeños como 200 nanómetros (mil millonésimas de metro) y una mezcla de materiales que también ha demostrado su eficacia en los diseños de células solares de próxima generación, demostraron producir muy brillante, luz láser estable. Los investigadores dicen que el excelente rendimiento de estos diminutos láseres es prometedor para el campo de la optoelectrónica. que se centra en combinar la electrónica y la luz para transmitir datos, entre otras aplicaciones.
La luz puede transportar muchos más datos, mucho más rápido que la electrónica estándar:una sola fibra en un cable de fibra óptica, midiendo menos del ancho de un cabello de diámetro, puede llevar a cabo decenas de miles de conversaciones telefónicas a la vez, por ejemplo. Y la miniaturización de láseres a nanoescala podría revolucionar aún más la informática al llevar la transmisión de datos a la velocidad de la luz al escritorio y, en última instancia, a los dispositivos informáticos portátiles.
"Lo sorprendente es la simplicidad de la química aquí, "dijo Peidong Yang, un químico de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab que dirigió la investigación, publicado el 9 de febrero en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . Las técnicas más estándar que producen nanocables pueden requerir equipos costosos y condiciones exóticas, como las altas temperaturas, y puede sufrir otras deficiencias.
El equipo de investigación desarrolló un proceso simple de solución de inmersión química para producir una mezcla autoensamblada de cristales a nanoescala, placas y alambres compuestos de cesio, Plomo y bromo (con la fórmula química:CsPbBr3). La misma mezcla química, con una arquitectura molecular compuesta de estructuras cristalinas en forma de cubo, también ha demostrado su eficacia en una ola emergente de nuevos diseños para células solares de alta eficiencia.
Esta imagen de microscopio electrónico de barrido muestra una colección de nanocables y nanoplacas de bromuro de plomo y cesio (CsPgbBr3) crecidos a partir de un proceso de inmersión química. Para producir estas estructuras, Los investigadores sumergieron una película delgada que contenía plomo en una solución de metanol que contenía cesio, el bromo y el cloro se calientan a unos 122 grados. La barra de escala blanca en la parte inferior derecha representa 10 micrones. La imagen en la parte inferior izquierda muestra el extremo rectangular bien formado de un nanoalambre; la barra de escala blanca asociada con él representa 500 nanómetros de longitud. Crédito:Crédito:Sam Eaton / UC Berkeley
"La mayor parte del trabajo anterior con este tipo de materiales se centra en estas aplicaciones de energía solar, "dijo Yang, quien también tiene citas con UC Berkeley y el Instituto Kavli Energy NanoScience en Berkeley Lab y UC Berkeley. "Ha habido tanto progreso con estos materiales en los últimos años; tengo la sensación de que estos materiales también abrirán una nueva frontera de investigación para la optoelectrónica, " él dijo, y en el campo más amplio de la fotónica, que se centra en el uso de la luz para una variedad de aplicaciones.
"Todo el propósito de desarrollar láseres de tamaño nanométrico es interconectar dispositivos fotónicos (basados en la luz) con dispositivos electrónicos sin problemas, "Yang dijo, "a escalas relevantes para los chips informáticos actuales. En la actualidad, estos dispositivos fotónicos pueden ser voluminosos ".
El equipo de investigación de Yang fue pionero en el desarrollo de láseres de nanocables hace casi 15 años utilizando una mezcla diferente de materiales. incluyendo óxido de zinc (ZnO) y nitruro de galio (GaN). Pero estos y otros Las combinaciones más convencionales de materiales utilizados para fabricar nanoláseres tienen deficiencias que pueden incluir una capacidad de sintonización limitada, procesos de fabricación de bajo brillo o costosos.
En este último trabajo, el equipo de investigación descubrió cómo producir nanocables sumergiendo una película delgada que contiene plomo en una solución de metanol que contiene cesio, el bromo y el cloro se calientan a unos 122 grados Fahrenheit. Se formó una mezcla de estructuras cristalinas de bromuro de plomo y cesio, incluyendo nanocables con un diámetro de 200 a 2, 300 nanómetros (0,2 a 2,3 micrones) y una longitud que varía de 2 a 40 micrones.
Una imagen de campo oscuro (A) de un nanoalambre de bromuro de plomo y cesio (CsPbBr3). El nanoalambre emite luz láser de brillo creciente (B-D) después de ser golpeado por una fuente láser externa. La barra de escala blanca representa 2 micrones. Crédito:Sam Eaton / UC Berkeley
Los nanocables seleccionados utilizados en el experimento se colocaron sobre una base de cuarzo y se excitaron con otra fuente de láser que hizo que emitieran luz. Los investigadores encontraron que los láseres de nanocables emitieron luz durante más de mil millones de ciclos después de ser golpeados por un pulso ultrarrápido de visible, luz violeta que duró solo centésimas de cuadrillonésimas de segundos, que Yang dijo demostró una estabilidad notable.
Yang dijo que, según su conocimiento, estos nanocables pueden ser los primeros en emitir luz láser utilizando una mezcla de materiales totalmente inorgánica (que no contiene carbono). Los investigadores demostraron que los láseres de nanocables se pueden sintonizar con un rango de luz que incluye longitudes de onda visibles de color verde y azul.
Los nanocables tienen una estructura cristalina que se asemeja a la de un mineral natural conocido como perovskita. Los investigadores estudiaron su estructura con una técnica conocida como microscopía electrónica de transmisión en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica, parte de la Fundición Molecular de Berkeley Lab. Molecular Foundry es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
La estructura cristalina de los nanocables se parece mucho a la sal, lo que los hace susceptibles a los daños causados por la humedad en el aire, Dijo Yang.
"Esa es una debilidad, algo que tenemos que estudiar y comprender cómo mejorar, ", dijo. Puede ser posible recubrir los nanocables con polímeros u otro material para hacerlos más resistentes a los daños, él dijo. También hay oportunidades para probar otros materiales y saber si mejoran el rendimiento, él dijo, como sustituir plomo por estaño.
Ted Sargent, un investigador de nanotecnología y profesor de la Universidad de Toronto que está familiarizado con el estudio, dijo, "Los resultados indican una promesa significativa para los nanomateriales de perovskita en el láser". También, él dijo, la estabilidad de los nanoláseres, que demostraron funcionar en el aire durante más de una hora, fue "impresionante".
Yang dijo:"Este campo está evolucionando rápidamente. Saltamos a este campo hace solo 12 meses, y estos láseres ya son increíbles, emisores brillantes. Es tan emocionante ".
