Quantum dot lasere bevæger sig et skridt tættere på med elektrisk pumpning

Forskere fra Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har udviklet en måde at få kolloide kvanteprikker til at producere laserlys ved hjælp af et elektrisk felt.

Colloidal Quantum Dots (CQD'er) er halvledernanopartikler, der effektivt kan generere levende og mættede lysfarver, som bruges til at lave displayskærme af mange elektroniske enheder.

Selvom CQD'er burde være lovende som lasermaterialer, de er endnu ikke praktiske, da de skal drives af en anden kilde til lysenergi - en metode kendt som optisk pumpning. Imidlertid, dette gør dem for omfangsrige til brug i halvlederelektronik.

I løbet af de sidste par år, forskere har forsøgt forskellige metoder til at gøre det let at bruge CQD'er i lasere, herunder elektrokemiske metoder eller kemisk doping. Disse tilgange kræver brug af skrappe kemiske opløsningsmidler eller iltfrie miljøer i deres produktion, og har derfor været begrænset til eksperimenter i laboratorieskala.

I et papir udgivet i Videnskab fremskridt , NTU adjunkt Steve Cuong Dang sammen med ph.d. studerende Yu Junhong, har demonstreret, hvordan et elektrisk felt kan hjælpe CQD'er med at udsende laserlys, mens de kun bruger en brøkdel af den energi, der traditionelt kræves til at drive en laser.

I deres eksperimenter, NTU-forskerne indlejrede CQD'er mellem to elektroder, som giver et elektrisk felt til at kontrollere og ændre egenskaberne inde i CQD'erne. Ved at manipulere disse egenskaber, forskerne sænkede den nødvendige energitærskel for at lasere med omkring 10 procent, bringer udsigten til CQD-lasere tættere på virkeligheden.

Denne tærskelreduktion er første gang, forskere har sænket den ved hjælp af et elektrisk felt, i stedet for svære at anvende elektrokemiske metoder.

At kunne bygge billige, lille størrelse lasere, der er "elektrisk drevne" i en bred vifte af farver er den hellige gral for mange optiske og optoelektroniske forskere. Lasere er rygradsteknologien til forskellige industrier, herunder medicinsk, sikkerhed og forbrugerelektronik, og er afgørende for udviklingen af ​​laser-tv.

"Vores succesfulde eksperiment bringer os et skridt tættere på at udvikle fuldfarvelasere i et enkelt materiale, der kan pumpes elektrisk. Den præstation ville i sidste ende gøre det muligt at sætte lasere på chipintegrerede systemer, der bruges i forbrugerelektronik og tingenes internet (IOT'er). " sagde Asst Prof Dang, fra School of Electrical and Electronic Engineering (EEE).

Fordele ved kolloide kvanteprikker

Colloidal Quantum Dots fremstilles nemt og økonomisk i simple væskefase kemiske synteser, og deres optiske og elektroniske egenskaber kan ændres og kontrolleres ved at variere partikelstørrelsen.

Kolloide nanomaterialer er attraktive for laserproducenter på grund af deres lave omkostninger, justerbar emissionsfarve og høj emissionseffektivitet. Men at få dem til at lase i øjeblikket kræver hurtigt, intens og sammenhængende optisk pumpning, hvorimod elektrisk pumpning er langsom, svag og usammenhængende.

Sammen med sine samarbejdspartnere Prof Hilmi Volkan Demir og Assoc Wang Hong fra EEE, og prof Sum Tze Chien fra School of Physical and Mathematical Sciences, Asst Prof Dang viste, at anvendelse af et elektrisk felt sænker lasertærsklen for CQD'er, og kunne føre til levedygtige elektrisk pumpede CQD-lasere.

Prof Demir sagde, "Den næste store udfordring inden for laserforskning er at udvikle lasere i nanoskala og integrere dem i fotoniske enheder på chip og ultrafølsomme sensorer. Dette vil medføre betydelige konsekvenser for det moderne samfund, især inden for data- og informationsbehandling, det driver den 4. industrielle revolution. At opnå det ville være et stort fremskridt inden for Singapores Industry 4.0-transformation."

Holdet søger nu at forske yderligere i at lave små CQD-lasere på en chip og arbejde med industripartnere, der er ivrige efter at udvikle teknologien til proof-of-concept-enheder med praktiske anvendelser.

Dette tværfaglige projekt blev finansieret af Undervisningsministeriet, National Research Foundation Singapore (NRF) og Agency for Science, Teknologi og forskning (A*STAR), og involverede ph.d. studerende Yu Junhong og Dr. Sushant Shendre, en forskningsstipendiat ved NTU's LUMINOUS! Center of Excellence for halvlederbelysning og -skærme.

Papir med titlen "Elektrisk kontrol forstærket spontan emission i kolloide kvantepunkter, "udgivet i Videnskab fremskridt , 25. oktober 2019.