Nach Jahrzehnten gelingt der elektrisch betriebene Perowskit-Laser

Warum zählen Perowskit-Laser zu den großen Zielen? Sie ver­spre­chen ultraeffiziente Lichtquellen - doch unter Strom zerfielen die Materialien bisher. Jetzt löst ein schlauer Aufbau das lange Ringen um eine kompakte Lichtquelle der Zukunft.

Durchbruch: Erster stabiler Perowskit-Laser unter Strom

Ein Jahrzehnt lang galt er als ein unerreichbares Ziel: der elektrisch betriebene Perowskit-Laser. Immer wieder versagten die Materialien unter hohen Strömen, die Resonatoren - winzige Lichtkammern, die Strahlen eigentlich bündeln und verstärken sollen - arbeiteten ineffizient. Nun hat ein Team der Zhejiang-Universität einen Weg gefunden, diese Hürden zu überwinden - mit einer ungewöhnlichen Doppelhohlraum-Struktur.

Perowskite gelten in der Optoelektronik als besonders vielseitig. Sie lassen sich einfach herstellen, speichern Ladungen lange und können Licht in vielen Farben erzeugen. Damit eignen sie sich, um Bauteile kleiner und flexibler zu machen. Gerade für Laser, die in Datenchips oder Sensoren gebraucht werden, wären elektrisch betriebene Varianten ein wichtiger Fortschritt. Bisher aber fehlte die nötige Stabilität bei hohen Stromdichten.

Perowskite (...) bieten Vorteile wie geringe Kosten, einfache Integration mit anderen Materialien, spektrale Einstellbarkeit und niedrige optische Laserschwellen, was sie zu sehr attraktiven Lasermaterialien macht

Die Lösung der Forscher bestand darin, die Aufgaben aufzuteilen. Ein erster Mikrocavity-Baustein wirkt wie eine kleine LED und liefert das Licht, ein zweiter Resonator mit einem Einkristall von Formamidinium-Blei-Iodid (FAPbI₃) verstärkt es. Man kann sich die beiden Bausteine wie zwei aufeinander abgestimmte Spiegelkammern vorstellen, von denen die erste den Lichtstrahl formt und die zweite ihn bündelt, bis er als Laser austritt. Durch präzise Abstimmung gelang es, mehr als 80 Prozent des erzeugten Lichts zu übertragen.

Der Einkristall selbst wurde in einem zweitägigen Prozess zwischen zwei Flächen gezüchtet, bis er extrem glatt war - nur wenige Atomlagen uneben - und genau die richtige Dicke von 180 Nanometern hatte. Die LED-Komponente entstand aus einer Misch-Perowskit-Zusammensetzung und wurde per Lösungsmethode gefertigt. Beide Teile bettete man zwischen Spiegelstrukturen ein, die das Licht zuverlässig lenkten. Schlauer Aufbau, starker Ansatz

Wie so oft: Zukunft noch ungewiss

Die Ergebnisse zeigen die Stärke des Ansatzes. Die Laserschwelle - also die minimale Stromdichte, ab der das Material tatsächlich in den Laserbetrieb übergeht - lag bei nur 92 Ampere pro Quadratzentimeter. Das ist etwa ein Zehntel dessen, was organische Vergleichslaser benötigen. Zudem konnte das System 36,2 Millionen Mal pro Sekunde ein- und ausschalten, was so schnell ist, dass sich damit Datenpakete ähnlich wie in Glasfasern übertragen lassen. Unter Pulslast hielt der Laser 1,8 Stunden - noch sehr weit weg von Laufzeiten für echte Anwendungen, aber lang genug, um zu zeigen: Stabilität ist mit diesem lange herbeigesehnten Traumsystem der Optoelektroniker tatsächlich machbar.

Aber man muss wie so oft ganz klar sagen: Noch handelt es sich um ein Demonstrator-System. Doch der Schritt, der jetzt getan wurde, ist wichtig: Ein Problem, das lange unlösbar schien, wurde erstmals überwunden. Wenn es gelingt, die komplexe Doppelhohlraum-Architektur in eine einfache Laserdiode zu übertragen, könnte daraus eine neue Grundlage für Photonik entstehen - vom Datenchip bis zum tragbaren Gerät.


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