Bane vejen til elektrisk pumpede lasere fra kolloidale kvantumpunkter

I en ny anmeldelseartikel i Nature Photonics, forskere fra Los Alamos National Laboratory vurderer status for forskning i kolloidale kvantepunktlasere med fokus på potentielle elektrisk pumpede enheder, eller laserdioder. Gennemgangen analyserer udfordringerne for at realisere lasning med elektrisk excitation, diskuterer metoder til at overvinde dem, og undersøger de seneste fremskridt i retning af dette mål.

"Kolloide kvantepunktlasere har et enormt potentiale i en række applikationer, herunder integrerede optiske kredsløb, bærbare teknologier, lab-on-a-chip-enheder, og avanceret medicinsk billeddannelse og diagnostik, "sagde Victor Klimov, en seniorforsker i kemi -afdelingen i Los Alamos og hovedforfatter af omslagsartiklen i Natur fotonik . "Disse løsningsbehandlede quantum dot laserdioder præsenterer unikke udfordringer, som vi gør gode fremskridt med at overvinde. "

Heeyoung Jung og Namyoung Ahn, også af Los Alamos 'kemi -afdeling, er medforfattere.

Halvlederlasere, eller laserdioder, er en væsentlig del af mange almindelige forbrugerprodukter samt sofistikeret udstyr, der bruges inden for telekommunikation, videnskabelig undersøgelse, medicin, og udforskning af rummet. Som regel, disse enheder anvender ultratynde halvlederfilm, eller kvantebrønde, dyrket via vakuumbaseret lag-for-lag atomaflejring.

Mens det giver mulighed for udsøgt kontrol af materialets egenskaber, denne vækstmetode er yderst krævende og kræver et renrumsmiljø. Ud over, det er begrænset til et ret lille antal indbyrdes kompatible materialer, der bruges som lasermedium og et underliggende substrat. Specifikt, kompatibilitetsproblemer komplicerer i høj grad integrationen af ​​eksisterende halvlederlasere med standard siliciumbaseret mikroelektronik.

"Disse problemer kan i princippet, løses med billige, lysbehandlingsbare lysemittere, "Sagde Klimov." Især et attraktivt alternativ til standard kvanteboringer er halvlederpartikler fremstillet via kolloidal kemi på bænketoppen. "

Mange vigtige milepæle af direkte relevans for udviklingen af ​​kolloidale quantum dot -lasere er opnået i Los Alamos, i teamet Nanoteknologi og Avanceret Spektroskopi i divisionen Kemi. Dette team har beskæftiget sig med state-of-the-art kvantepunktforskning i mere end to årtier og har været ansvarlig for adskillige bidrag inden for kvantepunktsyntese, deres grundlæggende undersøgelser og apparatapplikationer.

Kolloide kvantepunkter kan syntetiseres i store mængder i et standard vådkemisk laboratorium ved hjælp af billige, let tilgængelige forstadier. Yderligere, de kan kombineres med stort set ethvert substrat, der ville løse spørgsmålet om kompatibilitet med siliciummikroelektronik og åbne nye applikationsområder, der ikke er tilgængelige med traditionelle laserdioder.

Der er også yderligere fordele, der stammer fra den unikke kvante karakter af kolloidale nanokrystaller. I særdeleshed, på grund af deres ultralette størrelser, deres emissionsbølgelængde kan let afstemmes ved forskellige nanokrystaldimensioner. Denne kraftfulde kapacitet kan muliggøre laserdioder med en ultra-bred vifte af tilgængelige farver. Yderligere, den diskrete struktur af atomlignende tilstande med kvantepunkter hæmmer termisk affolkning af de lavest energiomgivende tilstande og reducerer derved lasertærskler og forbedrer temperaturstabiliteten for en laserenhed.

"På trods af disse potentielle fordele, de kolloide kvantepunkter er vanskelige lasermaterialer, "Sagde Klimov." Nanokrystaller af høj kvalitet har været tilgængelige siden begyndelsen af ​​90'erne. Imidlertid, de ville ikke lase før omkring 2000, da vores team i Los Alamos for første gang demonstrerede effekten af ​​lysforstærkning med cadmiumselenid -nanokrystaller. "

Nøglen til denne demonstration var to vigtige opdagelser foretaget i Los Alamos. Den ene var erkendelsen af, at optisk forstærkning ikke afhænger af enkelte excitoner (som i en standard lysemissionsproces), men på biexcitoner og andre tilstande med større mangfoldighed. Den anden identificerede udfordring var, at den primære deaktiveringskanal for biexciton -tilstande var meget hurtig ikke -strålende sneglrekombination, hvorved biexcitoner genererer varme i stedet for lys.

For at løse disse udfordringer, Los Alamos -forskere udnyttede tætpakket faststof i kvantepunkter, hvilket tillod dem at øge hastigheden af ​​stimuleret emission, så den kunne overgå Auger -henfald. Yderligere, de brugte meget korte (ca. 100 femtosekund) pulser til at udfylde kvantepunkter med biexcitoner, før de havde en chance for at forfalde via Auger -processen. Denne fremgangsmåde gav et længe ventet resultat-realiseringen af ​​forstærket spontan emission, princippebevis for kolloid kvantepunktlasing.

Sneglrekombination udgør stadig en stor hindring for realiseringen af ​​teknologisk levedygtige quantum dot -lasere. En anden alvorlig udfordring er udviklingen af ​​praktiske enheder, der kan opretholde ultrahøje strømtætheder på hundredvis af ampere per centimeter i kvadrat, der kræves til lasning. Realiseringen af ​​sådanne strukturer er stærkt kompliceret af dårlige ladningstransportegenskaber for granulære kvantepunktfaststoffer og høj resistivitet af opløsningsbehandlede ladningstransportlag. Som resultat, enheder overophedes hurtigt ved høje strømtætheder og mislykkes i sidste ende på grund af varmeinduceret nedbrydning.

For at løse problemet med termisk skade, Los Alamos udviklede en ny enhedsarkitektur, hvor strømmen var begrænset til et lille område på 50 med 300 mikron. Denne strømfokuserende tilgang øger strømtætheden og reducerer samtidig varmegenereringsvolumenet og forbedrer varmeudvekslingen med miljøet. Et yderligere trick var at levere bærere i korte strømbrud, mellem hvilke det aktive volumen havde en chance for at dumpe varme i et omgivende medium.

Disse foranstaltninger gav mulighed for at øge de nuværende tætheder til hidtil usete niveauer på omkring 1, 000 ampere pr. Kvadratcentimeter, mere end hundrede gange forbedret i forhold til tidligere rekorder. Dette var tilstrækkeligt til at opnå bredbåndsoptisk forstærkning, der var i stand til at opretholde lasning over en lang række bølgelængder, der spænder fra rødt til gult med en enkelt quantum dot -prøve.

En anden udfordring er inkorporering af en optisk resonator, så den ikke forstyrrer ladningsinjektionsveje og, på samme tid, opretholder lasning trods tilstedeværelsen af ​​"optisk tabende" ladningstransportlag. Dette problem er også for nylig blevet løst af Los Alamos -forskere.

I særdeleshed, de anvendte en interessant tilgang, hvor en optisk resonator blev fremstillet som et periodisk gitter indgraveret i et lag, der fungerede som en elektroninjektor. På denne måde, de bevarede en standardarkitektur for en lysemitterende diode (LED), men udstyrede den med en ekstra funktion til laserenhed. De udviklede dual-function strukturer udført som en standard LED, der fungerer under elektrisk pumpning og en laser aktiveret optisk.

Det sidste trin er at kombinere alle disse strategier i en enkelt enhed, der er i stand til at lasere med elektrisk excitation. I betragtning af de seneste fremskridt inden for arkitekturer med ultrahøj strømtæthed og vellykkede opskrifter til hulrumsintegration, dette mål ser ud til at være inden for rækkevidde, hvilket tyder på, at kolloide kvantepunktlaserdioder snart kan blive en realitet.