Stimulated emission in polycrystalline metal halide perovskite thin films

Lead halide perovskites have gained massive attention in this decade, as their high defect tolerance and low fabrication costs make them a revolutionary material that could replace traditional (III-V / II-VI) compound semiconductor materials. Over the decade, various photonic devices based on perovskites have shown exponential improvement in their device efficiencies. So far, perovskite tandem solarcell have been demonstrated with power conversion efficiency over 29%, light-emitting diodes (LEDs) have achieved a record peak external quantum efficiency (EQE%) of 32%, and X-ray detectors were demonstrated with scalable sizes and low detection limits. Furthermore, these perovskite-based optoelectronic devices are quickly approaching the stage of commercialization. As for lasing applications, although perovskite materials have shown optically pumped lasing with ultra-low threshold and capability to be integrated in different types of cavities, laser diodes based on perovskite semiconductors have yet to be demonstrated. Most of the groups working on perovskite laser diodes, also have great experiences in high-efficiency LED device development. The underlying operational logic between LEDs and laser diodes is different, and a lack of understanding of stimulated emission mechanism might lead to difficulties during the development of perovskite laser diodes. In this thesis, we unveil the trap-mediated stimulated emission in lead halide perovskites. We start by demonstrating that the amplified spontaneous emission (ASE) originates from shallow trap states. Then, we derived a three-level laser rate equation model to quantify the changes in threshold values with respect to carrier dynamics. Furthermore, we investigate the stimulated emission phenomenon in the polycrystalline perovskite films using both hyperspectral photoluminescence (PL) microscopy imaging and photoemission electron microscopy (PEEM) to pinpoint the spatial origin of the emission. The results showed that stimulated emission in perovskite thin films originates primarily from the grain boundaries. Lastly, from the perspective of the laser diode structure design, we demonstrated that the thickness of the transport layers could influence the optically pumped ASE threshold to a great extent. Thus, we show optically pumped lasing with perovskite integrated with the distributed feedback (DFB) cavity. Additionally, we showed multimode lasing within perovskite micro-crystalline structured thin films, opening a new development era of external cavityless laser diode based on self-assembled whispering gallery mode (WGM) microcavity thin films.

I perovskiti alogenuri di piombo hanno attirato un'enorme attenzione in questo decennio, grazie alla loro elevata tolleranza ai difetti e ai bassi costi di fabbricazione, che le rendono un materiale rivoluzionario in grado di sostituire i tradizionali semiconduttori composti (III-V / II-VI). Nel corso del decennio, vari dispositivi fotonici basati su perovskiti hanno mostrato un miglioramento esponenziale delle loro efficienze. Finora, celle solari tandem a perovskite hanno dimostrato un'efficienza di conversione della potenza superiore al 29%, i diodi emettitori di luce (LED) hanno raggiunto un'efficienza quantica esterna (EQE%) di picco record del 32% e i rivelatori a raggi X sono stati realizzati con dimensioni scalabili e limiti di rilevamento bassi. Inoltre, questi dispositivi optoelettronici basati su perovskiti si stanno rapidamente avvicinando alla fase di commercializzazione. Per quanto riguarda le applicazioni nel campo del laser, sebbene i materiali perovskitici abbiano mostrato emissione laser pompata otticamente con soglie ultra-basse e la capacità di essere integrati in diversi tipi di cavità, i diodi laser basati su semiconduttori a perovskite devono ancora essere dimostrati. La maggior parte dei gruppi che lavorano sui diodi laser a perovskite ha anche una grande esperienza nello sviluppo di dispositivi LED ad alta efficienza. Tuttavia, la logica operativa sottostante tra LED e diodi laser è diversa, e una mancanza di comprensione del meccanismo di emissione stimolata potrebbe portare a difficoltà nello sviluppo dei diodi laser a perovskite. In questa tesi, sveliamo l'emissione stimolata mediata da trappole nei perovskiti alogenuri di piombo. Iniziamo dimostrando che l'emissione spontanea amplificata (ASE) ha origine dagli stati di trappola superficiali. Successivamente, abbiamo derivato un modello di equazioni di rate laser a tre livelli per quantificare i cambiamenti nei valori di soglia rispetto alla dinamica dei portatori. Inoltre, indaghiamo il fenomeno dell'emissione stimolata nei film policristallini di perovskite utilizzando sia l'imaging iperspettrale di fotoluminescenza (PL) che la microscopia elettronica di fotoemissione (PEEM) per identificare l'origine spaziale dell'emissione. I risultati hanno mostrato che l'emissione stimolata nei film sottili di perovskite proviene principalmente dai bordi dei grani. Infine, dal punto di vista del design della struttura del diodo laser, abbiamo dimostrato che lo spessore degli strati di trasporto può influenzare in larga misura la soglia dell'ASE pompata otticamente. Abbiamo quindi mostrato l'emissione laser pompata otticamente con perovskite integrata con una cavità a feedback distribuito (DFB). Inoltre, abbiamo dimostrato l'emissione laser multimodale nei film sottili microcristallini a base di perovskite, aprendo una nuova era di sviluppo per i diodi laser senza cavità esterne, basati su film sottili autoassemblati con modalità di galleria dei sussurri (WGM).