Photophysical properties and mechanisms of amplified spontaneous emission in 2D layered perovskites

Metal halide perovskites have emerged as promising materials for next-generation optoelectronic and photonic devices due to their remarkable optical gain, tunable bandgap, and solution processability. This work investigates the fundamental photophysical properties of 2D perovskite semiconductors and their potential application in lasers, focusing on the mechanisms of ASE and the roles of structural rigidity, composition, and metal cation in determining optical performance. Comprehensive optical and structural characterization, which includes temperature-dependent PL, power-dependent ASE measurements, and ssNMR spectroscopy, was employed to elucidate the interplay between lattice dynamics, exciton-phonon coupling, and ASE thresholds. Comparative studies of PEA₂PbI₄, PEA₂SnI₄, and their mixed systems reveal that although both materials exhibit ASE at low temperatures, only the tin-based perovskite enables stable room-temperature operation. The superior performance of PEA₂SnI₄ is attributed to its lower Auger recombination rate, extended excited-state lifetime, and enhanced lattice flexibility, which suppress nonradiative losses and thermal quenching. Further studies on alkylammonium tin perovskites demonstrate that structural rigidity influences ASE efficiency. The DJ phase (DABSnI₄) exhibits stronger lattice cohesion and a lower ASE threshold compared to its RP counterpart (BA₂SnI₄). Incorporating dual organic cations(4F-PEA and TEA, compared to PEA), low-threshold and stable ASE at room temperature was achieved. Additionally, a “cage-balanced” quasi-2D tin iodide perovskite, (4F-PEA)₂(A)ₙ₋₁SnₙI₃ₙ₊₁, demonstrates minimized octahedral distortion, enhanced photoluminescence, reduced ASE threshold, and improved ambient stability. Overall, this work establishes a unified framework linking metal cation composition, lattice rigidity, and structural balance to ASE behavior in 2D perovskites. Providing rational design principles for developing high-gain, stable, and lead-free perovskite lasers, advancing their potential for practical integration in next-generation optoelectronic and photonic technologies.

Le perovskiti a base di alogenuri metallici si sono affermate come materiali promettenti per i dispositivi optoelettronici e fotonici di prossima generazione grazie al loro notevole guadagno ottico, al band gap sintonizzabile e alla processabilità in soluzione. Questo lavoro indaga le proprietà fotofisiche fondamentali dei semiconduttori perovskitici 2D e la loro potenziale applicazione nei laser, concentrandosi sui meccanismi di emissione spontanea amplificata (ASE) e sul ruolo della rigidità strutturale, della composizione e del catione metallico nel determinare le prestazioni ottiche. Una caratterizzazione ottica e strutturale completa, che include fotoluminescenza dipendente dalla temperatura, misurazioni di ASE dipendenti dalla potenza e spettroscopia NMR allo stato solido, è stata impiegata per chiarire l'interazione tra dinamica reticolare, accoppiamento eccitone-fonone e soglie di ASE. Studi comparativi di PEA₂PbI₄, PEA₂SnI₄ e dei loro sistemi misti rivelano che, sebbene entrambi i materiali mostrino ASE a basse temperature, solo la perovskite a base di stagno consente un funzionamento stabile a temperatura ambiente. Le prestazioni superiori di PEA₂SnI₄ sono attribuite al suo minore tasso di ricombinazione Auger, alla maggiore durata dello stato eccitato e alla maggiore flessibilità del reticolo, che sopprimono le perdite non radiative e il quenching termico. Ulteriori studi sulle perovskiti di stagno alchilammonio dimostrano che la rigidità strutturale influenza l'efficienza ASE. La fase DJ (DABSnI₄) presenta una maggiore coesione del reticolo e una soglia ASE inferiore rispetto alla sua controparte RP (BA₂SnI₄). Incorporando doppi cationi organici (4F-PEA e TEA, rispetto a PEA), è stata ottenuta un'ASE stabile e a bassa soglia a temperatura ambiente. Inoltre, una perovskite di ioduro di stagno quasi bidimensionale "bilanciata a gabbia", (4F-PEA)₂(A)ₙ₋₁SnₙI₃ₙ₊₁, dimostra una distorsione ottaedrica minimizzata, una fotoluminescenza migliorata, una soglia ASE ridotta e una maggiore stabilità ambientale. Nel complesso, questo lavoro stabilisce un quadro unificato che collega la composizione dei cationi metallici, la rigidità del reticolo e l'equilibrio strutturale al comportamento ASE nelle perovskiti 2D. Fornisce principi di progettazione razionali per lo sviluppo di laser a perovskite ad alto guadagno, stabili e senza piombo, promuovendo il loro potenziale di integrazione pratica nelle tecnologie optoelettroniche e fotoniche di prossima generazione.