Röd, grön, och blå lasrar har blivit små och billiga nog att hitta in i produkter som sträcker sig från BluRay DVD-spelare till snygga pennor, men varje färg är gjord med olika halvledarmaterial och genom komplicerade kristalltillväxtprocesser. En ny prototypteknik visar att alla tre färgerna kommer från ett material. Det kan öppna dörren till att tillverka produkter, som högpresterande digitala skärmar, som använder en mängd olika laserfärger på en gång.

"I dag för att skapa en laserskärm med godtyckliga färger, från vitt till nyanser av rosa eller kricka, du skulle behöva dessa tre separata materialsystem för att mötas i form av tre distinkta lasrar som inte på något sätt form eller form skulle ha något gemensamt, sa Arto Nurmikko, professor i teknik vid Brown University och senior författare till en artikel som beskriver innovationen i tidskriften Naturens nanoteknik . "Gå nu in i en klass av material som kallas halvledarkvantprickar."

Materialen i prototyplasrar som beskrivs i uppsatsen är nanometerstora halvledarpartiklar som kallas kolloidala kvantprickar eller nanokristaller med en inre kärna av kadmium och selenlegering och en beläggning av zink, kadmium, och svavellegering och ett patentskyddat organiskt molekylärt lim. Kemister på QD Vision of Lexington, Massa., syntetisera nanokristallerna med hjälp av en våtkemiprocess som gör att de kan variera nanokristallstorleken exakt genom att variera produktionstiden. Storleken är allt som behöver ändras för att producera olika laserljusfärger:4,2 nanometers kärnor producerar rött ljus, 3,2 nanometer ettor avger grönt ljus och 2,5 nanometer ettor lyser blått. Olika storlekar skulle producera andra färger längs spektrumet.

Beklädnaden och nanokristallstrukturen är avgörande framsteg bortom tidigare försök att tillverka lasrar med kolloidala kvantprickar, sa huvudförfattaren Cuong Dang, en senior forskarassistent och laboratoriechef för nanofotonik i Nurmikkos grupp på Brown. På grund av deras förbättrade kvantmekaniska och elektriska prestanda, han sa, de belagda pyramiderna kräver 10 gånger mindre pulserande energi eller 1, 000 gånger mindre kraft för att producera laserljus än tidigare försök med tekniken.

Quantum nagellack

När kemister på QDVision brygger en sats kolloidala kvantprickar för Brown-designade specifikationer, Dang och Nurmikko får en flaska med en trögflytande vätska som Nurmikko sa att något liknar nagellack. För att göra en laser, Dang täcker en kvadrat av glas - eller en mängd andra former - med vätskan. När vätskan avdunstar, det som finns kvar på glaset är flera tätt packade fasta, högt ordnade lager av nanokristallerna. Genom att lägga det glaset mellan två speciellt förberedda speglar, Dang skapar en av de mest utmanande laserstrukturerna, kallas en vertikal hålighets-ytemitterande laser. Det Brown-ledda teamet var först med att göra en fungerande VCSEL med kolloidala kvantprickar.

Nanokristallernas yttre beläggningslegering av zink, kadmium, svavel och det molekylära limmet är viktigt eftersom det minskar ett exciterat elektroniskt tillståndskrav för lasering och skyddar nanokristallerna från ett slags överhörning som gör det svårt att producera laserljus, sa Nurmikko. Varje parti kolloidala kvantprickar har några defekta, men normalt räcker bara några få för att störa ljusförstärkningen.

Inför ett högt upphetsat elektroniskt tillståndskrav och destruktiv överhörning i ett tätt packat lager, tidigare grupper har behövt pumpa sina prickar med mycket kraft för att driva dem förbi en högre tröskel för att producera ljusförstärkning, ett kärnelement i vilken laser som helst. pumpar dem intensivt, dock, ger upphov till ett annat problem:ett överskott av exciterade elektroniska tillstånd som kallas excitoner. När det finns för många av dessa excitoner bland kvantprickarna, energi som kan producera ljus är istället mer benägna att gå förlorad som värme, mestadels genom ett fenomen som kallas Augerprocessen.

Nanokristallernas struktur och yttre beklädnad minskar destruktiv överhörning och sänker energin som behövs för att få kvantprickarna att lysa. Det minskar energin som krävs för att pumpa kvantpunktslasern och minskar avsevärt sannolikheten för att överskrida nivån av excitoner där Auger-processen tappar bort energi. Dessutom, en fördel med det nya tillvägagångssättets struktur är att prickarna kan agera snabbare, släpper ljus innan Auger-processen kan komma igång, även i de sällsynta fall då den fortfarande startar.

"Vi har lyckats visa att det är möjligt att skapa inte bara ljus, men laserljus, ", sa Nurmikko. "I princip, vi har nu några fördelar:att använda samma kemi för alla färger, producera lasrar på ett mycket billigt sätt, relativt sett, och möjligheten att applicera dem på alla typer av ytor oavsett form. Det möjliggör alla typer av enhetskonfigurationer för framtiden."