Enkelt nanomateriale giver mange laserfarver

Rød, grøn, og blå lasere er blevet små og billige nok til at finde vej til produkter lige fra BluRay DVD -afspillere til flotte penne, men hver farve er lavet med forskellige halvledermaterialer og ved udførlige krystalvækstprocesser. En ny prototype -teknologi demonstrerer, at alle tre af disse farver kommer fra ét materiale. Det kunne åbne døren for at lave produkter, såsom højtydende digitale skærme, der anvender en række laserfarver på én gang.

"I dag for at skabe et laserdisplay med vilkårlige farver, fra hvid til lyserøde eller blågrønne nuancer, du har brug for, at disse tre separate materialesystemer samles i form af tre forskellige lasere, der på ingen måde ville have noget til fælles, "sagde Arto Nurmikko, professor i teknik ved Brown University og seniorforfatter af et papir, der beskriver innovationen i tidsskriftet Naturnanoteknologi . "Indtast nu en materialeklasse kaldet halvlederkvantumpunkter."

Materialerne i prototype lasere beskrevet i papiret er halvlederpartikler i nanometerstørrelse kaldet kolloide kvanteprikker eller nanokrystaller med en indre kerne af cadmium og selenlegering og en belægning af zink, cadmium, og svovllegering og en proprietær organisk molekylær lim. Kemikere hos QD Vision of Lexington, Masse., syntetisere nanokrystaller ved hjælp af en våd kemiproces, der giver dem mulighed for præcist at variere nanokrystalstørrelsen ved at variere produktionstiden. Størrelse er alt, hvad der skal ændres for at producere forskellige laserlysfarver:4,2 nanometerkerner producerer rødt lys, 3,2 nanometer afgiver grønt lys og 2,5 nanometer lyser blåt. Forskellige størrelser ville producere andre farver langs spektret.

Beklædningen og nanokrystalstrukturen er kritiske fremskridt ud over tidligere forsøg på at lave lasere med kolloide kvantepunkter, sagde hovedforfatter Cuong Dang, en senior forskningsassistent og nanofotonisk laboratorieleder i Nurmikkos gruppe på Brown. På grund af deres forbedrede kvantemekaniske og elektriske ydeevne, han sagde, de belagte pyramider kræver 10 gange mindre pulsenergi eller 1, 000 gange mindre strøm til at producere laserlys end tidligere forsøg på teknologien.

Quantum neglelak

Når kemikere på QDVision brygger et parti kolloidale kvantepunkter til Brown-designede specifikationer, Dang og Nurmikko får et hætteglas med en tyktflydende væske, som Nurmikko sagde noget ligner neglelak. For at lave en laser, Dang dækker en firkant af glas - eller en række andre former - med væsken. Når væsken fordamper, hvad der er tilbage på glasset er flere tætpakket fast stof, højtordnede lag af nanokrystaller. Ved at klemme glasset mellem to specielt forberedte spejle, Dang skaber en af ​​de mest udfordrende laserstrukturer, kaldes en overfladeemitterende laser med lodret hulrum. Det Brown-ledede team var det første til at lave en fungerende VCSEL med kolloide kvantepunkter.

Nanokrystallernes ydre belægning af zink, cadmium, svovl og den molekylære lim er vigtig, fordi det reducerer et spændt elektronisk tilstandskrav til lasning og beskytter nanokrystallerne mod en slags krydstale, der gør det svært at producere laserlys, Sagde Nurmikko. Hver batch af kolloide kvantepunkter har et par defekte, men normalt er et par stykker nok til at forstyrre lysforstærkning.

Står over for et højt spændt elektronisk tilstandskrav og destruktiv krydstale i et tæt pakket lag, tidligere grupper har haft brug for at pumpe deres prikker med meget kraft for at skubbe dem forbi en højere tærskel for at producere lysforstærkning, et kerneelement i enhver laser. Pumpe dem intenst, imidlertid, giver anledning til et andet problem:et overskud af ophidsede elektroniske tilstande kaldet excitoner. Når der er for mange af disse excitoner blandt kvantepunkterne, energi, der kunne producere lys, er i stedet mere tilbøjelig til at gå tabt som varme, mest gennem et fænomen kendt som Auger -processen.

Nanokrystallernes struktur og ydre beklædning reducerer destruktiv krydstale og sænker den energi, der er nødvendig for at få kvanteprikkerne til at skinne. Det reducerer den energi, der kræves for at pumpe quantum dot -laseren, og reducerer sandsynligheden for at overskride niveauet af excitoner, hvormed Auger -processen dræner energi, betydeligt. Ud over, en fordel ved den nye tilgangs struktur er, at prikkerne kan handle hurtigere, frigive lys, før snegleprocessen kan komme i gang, selv i sjældne tilfælde, hvor det stadig starter.

"Vi har formået at vise, at det er muligt at skabe ikke kun lys, men laserlys, "Sagde Nurmikko." I princippet vi har nu nogle fordele:at bruge den samme kemi til alle farver, fremstilling af lasere på en meget billig måde, relativt set, og evnen til at anvende dem på alle slags overflader uanset form. Det muliggør alle former for enhedskonfigurationer for fremtiden. "