洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員在利用膠體量子點技術(shù)開發(fā)高強度光發(fā)射器方面取得了重大進展，創(chuàng)造了具有前所未有的亮度水平的雙功能設(shè)備。這一突破可能會影響各個領(lǐng)域，包括集成電子學、光子學和醫(yī)療診斷，并使功能性量子點激光二極管更接近現(xiàn)實。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一個團隊已經(jīng)克服了在技術(shù)上可行的基于膠體量子點技術(shù)的高強度光發(fā)射器的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，產(chǎn)生了既能作為光學激勵激光器又能作為高亮度電驅(qū)動發(fā)光二極管（LED）工作的雙功能器件。

正如《先進材料》雜志所描述的那樣，這一進展代表了邁向電泵送膠體量子點激光器或激光二極管的一個關(guān)鍵里程碑，這種新型設(shè)備的影響將跨越眾多技術(shù)，包括集成電子和光子學、光學互連、片上實驗室平臺、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療診斷。

"對膠體量子點激光二極管的探索代表了世界范圍內(nèi)旨在實現(xiàn)基于溶液加工材料的電泵浦激光器和放大器的努力的一部分，"洛斯阿拉莫斯化學部門的科學家和該研究的團隊負責人維克多-克里莫夫說。"這些設(shè)備因其與幾乎任何基底的兼容性、可擴展性和與片上電子和光子學（包括傳統(tǒng)的硅基電路）的易于集成而被有著急迫的需求。"

與標準的LED一樣，在該團隊的新設(shè)備中，量子點層充當了一個電驅(qū)動的光發(fā)射器。然而，由于每平方厘米超過500安培的極高電流密度，這些器件表現(xiàn)出前所未有的亮度，每平方米超過100萬坎德拉（坎德拉衡量在特定方向發(fā)射的光功率）。這種亮度使它們非常適合于日光顯示器、投影儀和交通燈等應(yīng)用。

量子點層還表現(xiàn)為一個高效的波導放大器，具有較大的凈光學增益。洛斯阿拉莫斯團隊用一個包含所有電荷傳輸層和電泵所需其他元素的全功能LED型設(shè)備堆棧實現(xiàn)了窄帶發(fā)光。這一進展為備受期待的電泵送發(fā)光演示打開了大門，這一效果將使膠體量子點發(fā)光技術(shù)得以全面實現(xiàn)。

膠體量子點

半導體納米晶體--或膠體量子點--是實現(xiàn)包括激光二極管在內(nèi)的照明設(shè)備的有吸引力的材料。它們可以通過中等溫度的化學技術(shù)以原子級精度制備。

此外，由于它們的尺寸很小，與電子波函數(shù)的自然范圍相當，量子點表現(xiàn)出離散的類似原子的電子狀態(tài)，其能量直接取決于顆粒大小。這種所謂的"量子尺寸"效應(yīng)的結(jié)果可以被利用來將發(fā)光線調(diào)到所需的波長，或設(shè)計一個支持多波長發(fā)光的多色增益介質(zhì)。從量子點電子狀態(tài)的特殊原子狀光譜衍生出的其他優(yōu)勢包括低光學增益閾值和抑制發(fā)光特性對器件溫度變化的敏感性。

解決電泵挑戰(zhàn)的創(chuàng)新設(shè)計

大多數(shù)量子點發(fā)光研究都采用了短光脈沖來激發(fā)光學增益介質(zhì)。用電驅(qū)動量子點實現(xiàn)發(fā)光是一項更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。通過他們的新設(shè)備，洛斯阿拉莫斯研究小組向這一目標邁出了重要一步。

實驗室主任的博士后和量子點團隊的首席設(shè)備專家Namyoung Ahn說："挑戰(zhàn)在于電和光設(shè)備的設(shè)計領(lǐng)域。特別是該設(shè)備的電荷注入結(jié)構(gòu)必須能夠產(chǎn)生和維持激光作用所需的非常高的電流密度。同一裝置還必須表現(xiàn)出低的光學損耗，以使得不抑制在薄的量子點活性介質(zhì)中產(chǎn)生的增益。"

為了提高光學增益，該團隊開發(fā)了新的納米晶體，他們稱之為"緊湊成分分級量子點"。

"這些新型量子點的特點是由于內(nèi)置的成分梯度而抑制了奧格重組，并且當組裝在作為光學增益介質(zhì)的密實固體中時，同時表現(xiàn)出較大的增益系數(shù)，"量子點團隊的博士后Clément Livache說，他對制造的器件進行了光譜研究。"這有助于在一個復雜的電致發(fā)光結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)凈光學增益，在這個結(jié)構(gòu)中，一個薄的、可放大光的量子點層與多個吸收光的電荷傳導層相結(jié)合。"

為了促進光的放大，研究人員還減少了他們設(shè)備中的光學損失。特別是，他們重新設(shè)計了電荷注入架構(gòu)，去掉了有光學損耗的金屬類材料，用適當優(yōu)化的低吸收率有機層代替。此外，他們還設(shè)計了一個器件的截面輪廓，以減少高吸收性電荷傳輸層中的光場強度，同時增強量子點增益介質(zhì)中的光場強度。

最后，為了實現(xiàn)激光振蕩，所開發(fā)的器件還補充了一個光腔，該光腔被制備成一個周期性的光柵，被集成到器件的一個電極中。這個光柵作為一個所謂的分布式反饋諧振器，允許光在量子點層的橫向平面上循環(huán)，從而實現(xiàn)多通道放大。

最后的挑戰(zhàn)

科學家利用光學激勵達到了發(fā)光效果，由于通過電流產(chǎn)生的過多熱量導致器件性能下降，因此沒有觀察到使用電泵的發(fā)光效果。這是展示電驅(qū)動激光振蕩需要解決的最后一個挑戰(zhàn)。

就在幾年前，由于超快的奧格衰變、量子點LED的電流密度不足以及在同一設(shè)備中結(jié)合電致發(fā)光和發(fā)光功能的困難等問題，電泵送膠體量子點激光器被廣泛認為是不可能的。洛斯阿拉莫斯量子點團隊的成果展示了對大多數(shù)這些問題的實際解決方案，表明功能性量子點激光二極管已近在眼前。

標簽： 物理學研究 量子點技術(shù) 高強度光發(fā)射