Development of low-threshold and narrow-band nanolaser of perovskite crystal and nanocavity

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K14580
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Okamoto Takuya 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (40888608)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ペロブスカイト / 共振器 / エネルギー移動 / 蛍光 / レーザー / 量子ドット

Outline of Final Research Achievements

We improved the photoluminescence properties of lead halide perovskite crystals and investigated the interaction between semiconductor quantum dots and a nanocavity consisting of gold and titanium oxide thin films for realizing a narrow-band, low-threshold, and optical mode-tunable nanolaser. We reported that the kinetics of halide vacancy filling in perovskite microcrystals depend on the crystal shape. We also optimized the size, shape, and photoluminescence properties of perovskite microcrystals. We prepared mechanically stable perovskite supercrystals overcoming the delayed non-geminate exciton or carrier non-radiative recombination. We found that the photoluminescence of quantum dots on the nanocavity is quenched by the energy transfer from the quantum dots to the cavity and the coupling between the optical mode of the nanocavity and the plasmon resonance of gold nanoparticles enhances an energy transfer between QDs and the nanocavity.

Free Research Field

物理化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ハロゲン化鉛ペロブスカイトはレーザーに限らず太陽電池やLED、センサーなど様々な光電子デバイスへの応用が期待されており、本研究成果であるペロブスカイト結晶の非放射再結合の要因となるアニオン欠陥の回復や、超結晶化による非ジェミネート再結合の抑制などはペロブスカイトの蛍光機能向上に貢献するものである。一方、ナノ共振器においては当初の予想に反して利得媒質の蛍光を消光する結果となったが、この消光は量子ドットからナノ共振器へのエネルギー移動によるものであり、本研究で見出したナノ共振器への金ナノ粒子導入によるエネルギー移動の高効率化は、エネルギー移動を利用した共振器内光増幅につながる重要な成果である。