Forskare från Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat ett sätt att få Colloidal Quantum Dots att producera laserljus med hjälp av ett elektriskt fält.

Colloidal Quantum Dots (CQD) är halvledarnanopartiklar som effektivt kan generera levande och mättade ljusfärger, som används för att göra skärmar för många elektroniska enheter.

Även om CQD bör vara lovande som lasermaterial, de är ännu inte praktiska eftersom de måste drivas av en annan ljuskälla - en metod som kallas optisk pumpning. Dock, detta gör dem för skrymmande för användning i halvledarelektronik.

Under de senaste åren, forskare har försökt olika metoder för att göra det enkelt att använda CQD i lasrar, inklusive elektrokemiska metoder eller kemisk dopning. Dessa metoder kräver användning av hårda kemiska lösningsmedel eller syrefria miljöer i deras produktion, och har därför begränsats till experiment i laboratorieskala.

I ett papper publicerat i Vetenskapliga framsteg , NTU biträdande professor Steve Cuong Dang tillsammans med doktorand student Yu Junhong, har visat hur ett elektriskt fält kan hjälpa CQD:er att avge laserljus medan de bara använder en bråkdel av den energi som traditionellt krävs för att driva en laser.

I deras experiment, NTU -forskarna inbäddade CQD mellan två elektroder, som tillhandahåller ett elektriskt fält för att styra och ändra egenskaperna inuti CQD:erna. Genom att manipulera dessa egenskaper, forskarna sänkte energitröskeln som behövs för lasning med cirka 10 procent, vilket ger utsikterna till CQD -lasrar närmare verkligheten.

Denna tröskelminskning är första gången forskare har sänkt den med hjälp av ett elektriskt fält, istället för svåranvända elektrokemiska metoder.

Att kunna bygga billiga, små lasrar som är "elektriskt drivna" i ett brett spektrum av färger är den heliga gralen för många optiska och optoelektroniska forskare. Lasrar är ryggradstekniken för olika branscher, inklusive medicinsk, säkerhet och konsumentelektronik, och är avgörande för utvecklingen av laser -tv.

"Vårt framgångsrika experiment tar oss ett steg närmare att utveckla enfärgade helfärgslasrar som kan pumpas elektriskt. Den prestationen skulle så småningom göra det möjligt att sätta lasrar på chipintegrerade system som används i konsumentelektronik och sakernas internet (IOTs) sade prof Dang, från School of Electrical and Electronic Engineering (EEE).

Fördelar med kolloidala kvantpunkter

Kolloidala Quantum Dots produceras enkelt och ekonomiskt i enkla kemiska synteser i vätskefas, och deras optiska och elektroniska egenskaper kan ändras och kontrolleras genom att variera partikelstorleken.

Kolloidala nanomaterial är attraktiva för lasertillverkare på grund av deras låga kostnader, justerbar utsläppsfärg och hög utsläppseffektivitet. Men för att få dem att lase kräver för närvarande snabbt, intensiv och sammanhängande optisk pumpning, medan elektrisk pumpning går långsamt, svag och osammanhängande.

Tillsammans med sina medarbetare prof. Hilmi Volkan Demir och Assoc Wang Hong från EEE, och prof Sum Tze Chien från skolan för fysiska och matematiska vetenskaper, Asst prof Dang visade att applicering av ett elektriskt fält sänker lasertröskeln för CQD, och kan leda till livskraftiga elektriskt pumpade CQD-lasrar.

Prof Demir sa:"Nästa stora utmaning inom laserforskning är att utveckla nanoskala lasrar och integrera dem i fotoniska enheter och ultrakänsliga sensorer på chip. Detta skulle få stora konsekvenser för det moderna samhället, särskilt inom data- och informationsbehandling, som driver den fjärde industriella revolutionen. Att uppnå det skulle vara ett stort framsteg inom Singapores Industry 4.0 -transformation. "

Teamet letar nu efter att forska vidare om att göra små CQD-lasrar på ett chip och att arbeta med branschpartners som vill utveckla tekniken till proof-of-concept-enheter med praktiska tillämpningar.

Detta tvärvetenskapliga projekt finansierades av utbildningsministeriet, National Research Foundation Singapore (NRF) och Agency for Science, Teknik och forskning (A*STAR), och involverade Ph.D. studenten Yu Junhong och Dr Sushant Shendre, forskare vid NTU:s LUMINOUS! Center of Excellence for Semiconductor Lighting and Displays.

Papper med titeln "Elektrisk kontroll förstärker spontanemission i kolloidala kvantpunkter, "publicerad i Vetenskapliga framsteg , 25 oktober 2019.