Hvordan Øke Effektiviteten i Random Laser Gjennom Endring av Eksitasjonsområdets Størrelse og Ekstern Feedback

Endring av størrelsen på eksitasjonsområdet (A) har vist seg å være en effektiv metode for å forbedre lasingsegenskapene i random laser (RL) systemer. Generelt fører en økning i verdien av eksitasjonsområdet til en økt forsterkning av pumpemengden, noe som muliggjør oppnåelse av RL-utsending ved lavere pumpeterskel. Denne effekten er bekreftet ved eksperimenter på DCM@ZnO-MC systemer i en polyvinylalkohol (PVA) vert, hvor det ble observert at terskelintensiteten (ITh) for RL reduseres når A økes (Pramanik et al. 2021b). Denne sammenhengen kan teoretisk forstås gjennom det tilfeldige resonatorens statistiske rammeverk, som ble foreslått av Apalkov og Raikh (Wang et al. 2019; Dhanker et al. 2014). Ifølge dette rammeverket kan ITh beskrives ved følgende ligning:

Her er A0 det todimensjonale området som er opptatt av den typiske quasimodusen, og G er en parameter som reflekterer styrken på uordenen i det tilfeldige mediet. Verdien av λ er ≥ 1, og den er avhengig av graden av uorden. Ved λ → 1 reduseres denne ligningen til en enkel potenslov:

Eksperimentelt ble det observert en nesten femdobling i reduksjon av CW RL terskelen ved en tre ganger økning i A, og en styrking av uordenens parameter G til 0.76 (Wang et al. 2019).

En av de mest interessante observasjonene ved eksperimentene er hvordan pumpelys kan reinjiseres for å optimalisere effektiviteten i RL-systemet. Dette har betydning for å kontrollere og forsterke den naturlige strålingen som dannes. Effekten av å endre den effektive hulromslengden (Leff) er spesielt viktig her. Når Leff er 220 μm, oppnås et singelmodus RL ved 598 nm med en pumpeterskelintensitet på 58,8 W/cm², en Q-faktor på 1090 og en effektivitet (η) på 47%. Samtidig ble det observert en reduksjon på omtrent 60% i ITh i forhold til systemer med bare polymere filmer (PF). Denne effekten ble også sett i forbindelse med forskjellige typer spektra og endringer i spektral bredde (FWHM), som kan ses i Figur 12.5.

Denne oppførselen, der vi ser en gradvis overgang fra spontan utsending (SE) til forsterket spontan utsending (ASE), og deretter til RL-utsending, er et tydelig tegn på hvordan systemet går fra å ha flere fluktuerende moduser til å stabilisere seg rundt én dominant lasermodus. Denne overgangen har stor betydning for anvendelsen av RL-systemer i praktiske applikasjoner, som i medisinsk bildediagnostikk, hvor et lavere spekkelkontrast (C) kan oppnås, som vist i eksperimentene som involverer Allium cepa celler.

Ved hjelp av ekstern tilbakemelding, for eksempel via Fabry-Perot resonatorer (FB), har det også blitt mulig å kontrollere den statistiske fluktuasjonen av lysintensiteten, noe som gir rom for videre optimalisering av RL-ytelsen. Den reduserte spekkelkontrasten (C) i slike systemer kan brukes til å forbedre bildekvaliteten ved mikroskopi og andre typer bildebehandling, som ved bruk av et RL-system i biologiske celleobservasjoner.

En annen viktig effekt som påvirker RL-ytelsen er pumpens energiintensitet (Ip). Når Ip økes, fører dette til en økning i antall tilgjengelige moduser, men også til en konkurranse mellom disse modusene om energien som pumpes inn i systemet. Dette kan føre til en metning av den spesifikke lasermodusen som er dominert ved høy intensitet, som vises i eksperimentene. Når dette skjer, blir det observert en reduksjon i antallet fluktuerende moduser og en stabilisering av lasermodusen.

I tillegg til den direkte effekten av justeringer i eksitasjonsområdet og pumpens intensitet, er det viktig å merke seg hvordan de fysiske egenskapene til materialene som brukes i RL-systemene, som ZnO nanobørster og elastomersubstrater, kan påvirke lasingens effektivitet. For eksempel har stretchbare og fleksible substrater, sammen med nanostrukturerte materialer, vært brukt til å modifisere RL-modusene, som gjør det mulig å tilpasse systemene for ulike anvendelser.

Den videre utviklingen av RL-teknologier krever en kombinasjon av teoretiske og eksperimentelle tilnærminger for å optimalisere både materialene og geometriene som brukes. Fremtidige fremskritt vil avhenge av hvordan disse faktorene kan integreres for å lage mer effektive, fleksible og robuste systemer som kan brukes i en rekke teknologiske og biologiske applikasjoner, som for eksempel belysningsteknologi, mikroskopi og diagnostikk.

Hvordan 2D/3D Perovskitt Solceller Forbedrer Ytelse og Stabilitet

Fremgangen innen kombinasjonen av 3D-perovskitt og 2D-perovskitt har vært et spennende tema i den moderne utviklingen av solceller. Selv om ren 2D-perovskitt har fått betydelig oppmerksomhet, har det vist seg at det er flere begrensninger knyttet til bruken av det alene. På den andre siden har 3D-perovskitt vist seg å ha høyere ytelse, men mangel på stabilitet har vært et hinder. Kombinasjonen av disse to strukturer har derfor blitt en lovende løsning.

For å overvinne disse utfordringene, har forskere fokusert på å utvikle blandede 2D-3D perovskittfilmer som kan dra nytte av begge materialenes egenskaper. I 2014 ble det første konseptuelle forsøket med blandede 2D/3D perovskitt-baserte solceller gjennomført av Smith et al., der MA-kationer ble blandet med en stor mengde PEA for å produsere en Ruddlesden-Popper-struktur. Denne solcellen viste en effektivitet på 4,73%, men med en høy åpen kretsspenning (Voc) på 1,18 V. Selv om effektiviteten var relativt lav, viste enheten god stabilitet under eksponering for relativ fuktighet (RH) på 52% i 46 dager. Dette er en betydelig forbedring sammenlignet med tradisjonelle 3D-solceller som kan degraderes raskt under lignende forhold.

I 2018 foreslo Li et al. et nytt design for en solcelle med en struktur som består av FTO/C-TiO2/m-TiO2/PEAI-MAPbI3/Spir-OMeTAD/Ag, og oppnådde en PCE på 19,10% med en Jsc på 21,91 mA/cm² og en Voc på 1,08 V. Dette beviser at blanding av 2D og 3D perovskitt kan føre til høyere effektivitet og forbedret stabilitet i enheter, ettersom de forbedrer kornveksten og reduserer ladningsrekombinasjon. Den relative stabiliteten ble dog ikke rapportert i studien, og dette er et område som fortsatt trenger grundigere undersøkelser.

Andre forskningsprosjekter har også vist lignende resultater. For eksempel utviklet Hu et al. en PEA-inkorporert 2D/3D Pb-Sn-alloy perovskittsolcelle og oppnådde en PCE på 15,93%. Denne enheten viste økt stabilitet i luft, og i 2016 rapporterte Koh et al. om en solcelle basert på en blanding av 2D- og 3D-perovskitt som oppnådde 9% effektivitet under AM 1,5G forhold. Denne enheten hadde utmerket stabilitet ved relativ luftfuktighet på 70–80%, og viste lovende resultater både med og uten innkapsling.

For å oppnå videre forbedringer har forskere også eksperimentert med ulike arkitekturer, som for eksempel å bruke et ultratynt bredbåndsgap-halid (WBH) for å lage en dobbeltlags-halidstruktur. I dette tilfellet er 2D perovskitt halid stablet på et smalere båndgap-lysabsorberende halidlag før det påføres holetransportmateriale (HTM). Denne tilnærmingen har ført til nye høyder innen både ytelse og stabilitet, ettersom solcellene kunne oppnå høyere effektivitet uten å ofre langtidsprestasjon.

En viktig del av dette forskningsfeltet er utviklingen av industrielle prosesser som kan produsere disse blandede perovskittsolcellene i stor skala. Grancini et al. rapporterte om et industrielt skalerbart trykkprosjekt som produserte solmoduler med dimensjonen 10 × 10 cm², som oppnådde 11,2% effektivitet og en imponerende stabilitet på 410 000 timer. Dette viser at det ikke bare er forskningsprototyper som kan dra nytte av 2D/3D perovskittteknologi, men også at det er potensial for å implementere denne teknologien på en kommersiell skala.

Dette forskningsfeltet understreker betydningen av å kombinere ulike materialdimensjoner for å oppnå både høy ytelse og stabilitet, noe som er avgjørende for å utvikle solceller som kan konkurrere med tradisjonelle energikilder på lang sikt.

Hvordan påvirker interdiffusjon og atomblanding dybdeprofilene i multilagsstrukturer?

Ved analysen av materialer med hjelp av sekundærionmassespektrometri (SIMS) kan dybdeprofilene avsløre viktige egenskaper ved multilagsstrukturer, som metalliske og halvlederlag, samt hvordan atomene blander seg på tvers av lagene. Spesielt i tilfeller av metalliske multilag, kan frie energier som eksisterer ved grensesnittene føre til interfasemiksing og dannelse av interfasielle legeringer, gitt at disse frie energiene er sammenlignbare med eller større enn “dannelsesentalpien”. Når det gjelder immiskible metaller, blir blanding hindret av energibarrierer, mens for blandbare metaller kan metastabile legeringer dannes på grunn av negative dannelsesentalpier.

I halvlederstrukturer, som de som bruker kvantebrønner, kan interdiffusjon på tvers av grensesnittene føre til bredere grensesnitt, noe som kan påvirke de elektroniske egenskapene. Et eksempel på dette ble sett i et InP/In0.33Ga0.67As/InP dobbeltkvantebrønn-system, hvor SIMS- og XRD-målinger sammen med simuleringer viste at fosfor diffunderte inn i kvantebrønnene. Dette skapte et 10 nm tykt område med innblandede elementer mellom kappe-laget og kvantebrønnene. Denne typen simuleringer, kombinert med høypresisjons XRD, hjelper til med å kvantifisere sammensetningsvariasjoner på tvers av dybden i kvantebrønnene og gir verdifull innsikt i strukturen til halvledermaterialene.

En viktig observasjon ved SIMS-dybdeprofilering er asymmetrien som kan oppstå mellom "ledende" og "etterfølgende" deler av profilen. Denne asymmetrien kan forklares gjennom en MRI-modell (Mixing, Roughness, and Information-depth), som tar hensyn til tre grunnleggende parametre: atomblanding, overflategrovinformasjon og informasjonsdybde. Modellens anvendelse kan hjelpe til med å forstå de eksperimentelle resultatene ved å beskrive hvordan overflatestrukturen og atomblandingen påvirker dybdeprofilenes nøyaktighet og oppløsning.

Når det gjelder høypresisjonsinstrumenter som SIMS og XRD, er det viktig å merke seg at disse metodene ofte brukes i kombinasjon for å gi et helhetlig bilde av materialenes egenskaper, spesielt når det gjelder sammensetning på tvers av ulike lag i multilagsstrukturer. Bruken av avanserte simuleringsteknikker som de basert på kinematisk refleksjonsteori og Vegard’s lov bidrar til nøyaktige målinger og kvantifisering av elementenes fordeling i materialene.

Hvordan Termisk Aktivert Forsinket Fluorescens (TADF) Revolusjonerer Organiske Lysdioder (OLED)

Termisk aktivert forsinket fluorescens (TADF) representerer et gjennombrudd innen organisk elektronikk og belysningsteknologi, og har fått betydelig oppmerksomhet de siste årene. Fenomenet ble først observert i fast stoff av Perrin i 1919 og senere i løsning av Lewis i 1941. Selv om forskningen på TADF ikke var særlig utbredt i mange tiår, ble det gjort et betydelig sprang fremover i 2012, da Adachis forskningsgruppe viste at TADF kunne benyttes til effektivt å utnytte triplet-excitonene i organiske lysdioder (OLED). Denne mekanismen har revolusjonert måten organiske belysningsenheter fungerer på, og har åpnet for en ny æra innen energieffektiv belysning og displaysystemer.

TADF-mekanismen er basert på en effektiv håndtering av elektroniske tilstander i organiske materialer. Når et materiale utsettes for elektrisk strøm, kan det danne både singlet- og triplet-excitoner. I konvensjonelle materialer vil triplet-excitonene vanligvis ikke kunne generere lys, ettersom de ikke kan reise tilbake til singlet-tilstanden uten ytterligere energitilførsel. Men i TADF-materialer, som ofte inneholder spesiell molekylær struktur, kan triplet-excitonene omdannes til singlet-excitoner ved hjelp av termisk energi. Dette gir en stor forbedring i lysutbyttet, noe som igjen kan føre til lysdioder med høyere lysstyrke og lavere strømforbruk.

I forskningen på TADF har flere grupper fokusert på å utvikle materialer som er både stabile og effektive i å generere forsinket fluorescens. En viktig del av denne utviklingen har vært å forstå de elektroniske strukturene og de termiske egenskapene til de forskjellige materialene. Et gjennombrudd kom da Adachi-gruppen identifiserte hvordan man kan utnytte organiske små molekyler som er fri for metaller for å skape TADF-effekter. Disse materialene har den fordelen at de er lettere og mer kostnadseffektive å produsere enn tidligere metaller som ble brukt i OLED-enheter.

Viktigheten av forståelsen av TADF-mekanismen går langt utover bare OLED-applikasjoner. Det er et fundamentalt skifte i hvordan vi kan kontrollere lys-emitterende prosesser i organiske materialer, og dette kan åpne dørene til nye applikasjoner i områder som medisin, hvor TADF kan brukes i bildediagnostikk og terapier, samt i optoelektronikk for mer avanserte sensor- og kommunikasjonsløsninger.

En annen viktig aspekt ved TADF er dens potensial i forhold til bærekraft. Ved å bruke organiske materialer som ikke nødvendigvis krever sjeldne eller kostbare metaller, kan denne teknologien føre til mer miljøvennlige alternativer i elektronikkindustrien. For eksempel kan produksjonsprosessen for OLED-skjermer basert på TADF-materialer være både enklere og billigere, noe som kan redusere den samlede karbonbelastningen og energiforbruket i produksjonen av elektroniske enheter.

TADF-teknologien har også blitt ansett som en potensiell løsning for fremtidens energikrevende lysdioder, som kan benyttes i alt fra belysning i hjem og industri til skjermer i elektroniske enheter. Den økte effektiviteten i energikonvertering som tilbys av TADF-materialer betyr at disse enhetene kan operere med betydelig lavere strømforbruk, noe som kan føre til økonomiske besparelser på lang sikt, samt redusert påvirkning på miljøet.

TADF er dermed en av de mest lovende teknologiene innen organisk elektronikk og belysning i dag, og forskningen på dette området fortsetter å vokse raskt. Teknologien har potensial til å transformere hvordan vi lager og bruker elektroniske enheter, og dens anvendelse i OLED-teknologi er bare begynnelsen. I fremtiden kan vi forvente en stadig økning i bruken av TADF-materialer i et bredt spekter av applikasjoner, som igjen vil føre til mer effektive, miljøvennlige og økonomisk fordelaktige løsninger for både forbrukere og produsenter.