I en ny översiktsartikel i Nature Photonics, forskare från Los Alamos National Laboratory bedömer statusen för forskning om kolloidala kvantpunktslasrar med fokus på potentiella elektriskt pumpade enheter, eller laserdioder. Granskningen analyserar utmaningarna för att förverkliga lasning med elektrisk excitation, diskuterar metoder för att övervinna dem, och undersöker de senaste framstegen mot detta mål.

"Kolloidala kvantpricklasare har enorm potential i en rad applikationer, inklusive integrerade optiska kretsar, bärbar teknik, lab-on-a-chip-enheter, och avancerad medicinsk bildbehandling och diagnostik, "sa Victor Klimov, en senior forskare inom kemiavdelningen i Los Alamos och huvudförfattare till omslagsartikeln i Nature Photonics . "Dessa lösningsbehandlade kvantpunktlaserdioder ger unika utmaningar, som vi gör goda framsteg med att övervinna. "

Heeyoung Jung och Namyoung Ahn, även av Los Alamos kemidivision, är medförfattare.

Halvledarlasrar, eller laserdioder, är en väsentlig del av många vanliga konsumentprodukter samt sofistikerad utrustning som används inom telekommunikation, vetenskaplig forskning, medicin, och utforskning av rymden. Vanligtvis, dessa enheter använder ultratunna halvledarfilmer, eller kvantbrunnar, odlas via vakuumbaserad lager-för-lager atomavsättning.

Samtidigt som det möjliggör utsökt kontroll av materialets egenskaper, denna tillväxtmetod är mycket krävande och kräver en renrumsmiljö. Dessutom, den är begränsad till ett ganska litet antal inbördes kompatibla material som används som ett lasermedium och ett underliggande substrat. Specifikt, kompatibilitetsproblem komplicerar kraftigt integrationen av befintliga halvledarlasrar med standard kiselbaserad mikroelektronik.

"Dessa problem kan i princip, lösas med billiga lösningsbearbetbara ljusemitter, "Sa Klimov." I synnerhet ett attraktivt alternativ till vanliga kvantbrunnar är halvledarpartiklar framställda via kolloidalkemi.

Många viktiga milstolpar av direkt relevans för utvecklingen av kolloidala kvantpunktslasrar har uppnåtts i Los Alamos, i teamet för nanoteknik och avancerad spektroskopi inom divisionen Kemi. Detta team har engagerat sig i toppmodern kvantpunktforskning i mer än två decennier och har ansvarat för många bidrag inom områdena kvantpunktssyntes, deras grundläggande studier och apparapplikationer.

Kolloidala kvantpunkter kan syntetiseras i stora mängder i ett vanligt våt-kemiskt laboratorium med hjälp av billiga, lätt tillgängliga prekursorer. Ytterligare, de kan kombineras med praktiskt taget alla substrat som skulle lösa problemet med kompatibilitet med kiselmikroelektronik och öppna nya applikationsområden som inte är tillgängliga med traditionella laserdioder.

Det finns också ytterligare fördelar som härrör från den unika kvantkaraktären hos kolloidala nanokristaller. Särskilt, på grund av deras ultraljudsstorlekar, deras utsläppsvåglängd kan enkelt ställas in med olika nanokristalldimensioner. Denna kraftfulla kapacitet kan möjliggöra laserdioder med ett extremt brett utbud av tillgängliga färger. Ytterligare, den diskreta strukturen hos atomliknande tillstånd med kvantprickar hämmar termisk avfolkning av de lägsta energiförsörjande tillstånden och reducerar därigenom lasertrösklar och förbättrar temperaturstabiliteten hos en laserapparat.

"Trots dessa potentiella fördelar, de kolloidala kvantprickarna är svåra lasermaterial, "Sa Klimov." Högkvalitativa nanokristaller har varit tillgängliga sedan början av 90-talet. Dock, de skulle inte tappa förrän omkring 2000, när vårt team på Los Alamos för första gången visade effekten av ljusförstärkning med nanokristaller av kadmiumselenid. "

Nyckeln till denna demonstration var två viktiga upptäckter gjorda vid Los Alamos. Den ena var insikten att optisk förstärkning inte är beroende av enstaka excitoner (som i en vanlig ljusemissionsprocess), men på biexcitoner och andra tillstånd med högre mångfald. Den andra identifierade utmaningen var att den primära avaktiveringskanalen för biexciton -tillstånd var mycket snabb icke -strålande Auger -rekombination där biexcitoner genererar värme istället för ljus.

För att lösa dessa utmaningar, Los Alamos -forskare använde tätt packade fasta kvantprickar, vilket gjorde att de kunde öka hastigheten på stimulerat utsläpp så att det kunde överstiga Auger -förfall. Ytterligare, de använde mycket korta (cirka 100 femtosekund) pulser för att fylla kvantprickar med biexcitoner innan de hade en chans att förfalla via Auger -processen. Detta tillvägagångssätt gav ett efterlängtat resultat-förverkligandet av förstärkt spontanemission, princip-bevis för kolloidal kvantpricklasning.

Skruvkombination utgör fortfarande ett stort hinder för att förverkliga teknologiskt livskraftiga kvantpunktslasrar. En annan allvarlig utmaning är utvecklingen av praktiska enheter som kan hålla ultrahöga strömtätheter på hundratals ampere per centimeter i kvadrat som krävs för lasning. Förverkligandet av sådana strukturer kompliceras kraftigt av dåliga laddningstransportegenskaper hos granulära kvantpunktfasta ämnen och hög resistivitet hos lösningsbehandlade laddningstransportskikt. Som ett resultat, enheter överhettas snabbt vid höga strömtätheter och slutligen misslyckas på grund av värmeinducerad nedbrytning.

För att lösa problemet med termisk skada, Los Alamos utvecklade en ny enhetsarkitektur där strömflödet begränsades till ett litet område på 50 x 300 mikron. Denna nuvarande fokuseringsmetod ökar strömtätheten och minskar samtidigt värmeproduktionsvolymen och förbättrar värmeutbytet med omgivningen. Ett ytterligare knep var att leverera bärare i korta strömmar mellan vilka den aktiva volymen hade en chans att dumpa värme i ett omgivande medium.

Dessa åtgärder möjliggjorde ökad strömtäthet till oöverträffade nivåer på cirka 1, 000 ampere per kvadratcentimeter, mer än hundrafaldig förbättring jämfört med tidigare rekord. Detta var tillräckligt för att uppnå bredbandsoptisk förstärkning som kan upprätthålla lasning över ett brett spektrum av våglängder som sträcker sig från rött till gult med ett enda kvantprickprov.

En annan utmaning är införlivandet av en optisk resonator så att den inte stör laddningsinjektionsvägar och, på samma gång, bibehåller lasning trots förekomsten av "optiskt förlust" laddningstransportlager. Detta problem har också nyligen lösts av Los Alamos -forskare.

Särskilt, de tillämpade ett intressant tillvägagångssätt där en optisk resonator framställdes som ett periodiskt gitter inristat i ett lager som fungerar som en elektroninjektor. På det här sättet, de bevarade en standardarkitektur för en ljusemitterande diod (LED) men försåg den med en ytterligare funktion av laserenhet. De utvecklade strukturerna med dubbla funktioner utförs som en standard-LED som arbetar under elektrisk pumpning och en laser aktiverad optiskt.

Det sista steget är att kombinera alla dessa strategier i en enda enhet som kan lasas med elektrisk excitation. Med tanke på de senaste framstegen inom arkitekturer med ultrahög strömtäthet och framgångsrika recept för hålrumsintegration, detta mål verkar vara inom nära räckhåll, vilket tyder på att kolloidala kvantpricklaserdioder snart kan bli verklighet.