Wetenschappers van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) heeft een manier ontwikkeld om Colloidal Quantum Dots laserlicht te laten produceren met behulp van een elektrisch veld.

Colloïdale Quantum Dots (CQD's) zijn halfgeleider nanodeeltjes die op efficiënte wijze levendige en verzadigde kleuren licht kunnen genereren, die worden gebruikt om beeldschermen van veel elektronische apparaten te maken.

Hoewel CQD's veelbelovend zouden moeten zijn als lasermaterialen, ze zijn nog niet praktisch omdat ze moeten worden aangedreven door een andere bron van lichtenergie - een methode die bekend staat als optisch pompen. Echter, dit maakt ze te omvangrijk voor gebruik in halfgeleiderelektronica.

De afgelopen jaren, onderzoekers hebben verschillende benaderingen geprobeerd om het gebruik van CQD's in lasers gemakkelijk te maken, inclusief elektrochemische methoden of chemische doping. Deze benaderingen vereisen het gebruik van agressieve chemische oplosmiddelen of zuurstofvrije omgevingen in hun productie, en zijn dus beperkt tot experimenten op laboratoriumschaal.

In een paper gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , NTU Universitair Docent Steve Cuong Dang samen met Ph.D. student Yu Junhong, hebben aangetoond hoe een elektrisch veld CQD's kan helpen laserlicht uit te zenden terwijl ze slechts een fractie van de energie gebruiken die traditioneel nodig is om een ​​laser aan te drijven.

In hun experimenten, de NTU-wetenschappers hebben CQD's ingebed tussen twee elektroden, die een elektrisch veld verschaft om de eigenschappen binnen de CQD's te controleren en te veranderen. Door deze eigenschappen te manipuleren, de wetenschappers verlaagden de energiedrempel die nodig is voor laseren met ongeveer 10 procent, waardoor het vooruitzicht van CQD-lasers dichter bij de realiteit komt.

Deze drempelverlaging is de eerste keer dat onderzoekers deze hebben verlaagd met behulp van een elektrisch veld, in plaats van moeilijk toe te passen elektrochemische methoden.

Laagdrempelig kunnen bouwen, kleine lasers die "elektrisch worden aangedreven" in een breed scala aan kleuren zijn de heilige graal voor veel optische en opto-elektronische onderzoekers. Lasers vormen de ruggengraattechnologie voor verschillende industrieën, waaronder medische, beveiliging en consumentenelektronica, en zijn essentieel voor de ontwikkeling van lasertelevisies.

"Ons succesvolle experiment brengt ons een stap dichter bij de ontwikkeling van full-color lasers uit één materiaal die elektrisch kunnen worden gepompt. Die prestatie zou het uiteindelijk mogelijk maken om lasers op chip-geïntegreerde systemen te plaatsen die worden gebruikt in consumentenelektronica en het internet der dingen (IOT's) " zei Asst Prof Dang, van de School of Electrical and Electronic Engineering (EEE).

Voordelen van colloïdale Quantum Dots

Colloïdale Quantum Dots worden gemakkelijk en economisch geproduceerd in eenvoudige chemische syntheses in vloeibare fase, en hun optische en elektronische eigenschappen kunnen worden gewijzigd en gecontroleerd door de deeltjesgrootte te variëren.

Colloïdale nanomaterialen zijn aantrekkelijk voor lasermakers vanwege hun lage kosten, afstembare emissiekleur en hoge emissie-efficiëntie. Om ze te laten laseren vereist momenteel echter snel, intens en coherent optisch pompen, overwegende dat elektrisch pompen traag is, zwak en onsamenhangend.

Samen met zijn medewerkers Prof Hilmi Volkan Demir en Assoc Wang Hong van EEE, en Prof Sum Tze Chien van de School voor Fysische en Wiskundige Wetenschappen, Asst Prof Dang toonde aan dat het toepassen van een elektrisch veld de laserdrempel van CQD's verlaagt, en zou kunnen leiden tot levensvatbare elektrisch gepompte CQD-lasers.

Prof Demir zei:"De volgende grote uitdaging in laseronderzoek is om lasers op nanoschaal te ontwikkelen en deze te integreren in on-chip fotonische apparaten en ultragevoelige sensoren. Dit zou aanzienlijke gevolgen hebben voor de moderne samenleving, vooral op het gebied van gegevens- en informatieverwerking, dat is de drijvende kracht achter de 4e industriële revolutie. Het bereiken hiervan zou een grote stap vooruit zijn binnen de Industrie 4.0-transformatie van Singapore."

Het team wil nu verder onderzoek doen naar het maken van kleine CQD-lasers op een chip en samenwerken met industriële partners die de technologie willen ontwikkelen tot proof-of-concept-apparaten met praktische toepassingen.

Dit interdisciplinaire project werd gefinancierd door het Ministerie van Onderwijs, National Research Foundation Singapore (NRF) en Agency for Science, Technologie en Onderzoek (A*STAR), en betrokken Ph.D. student Yu Junhong en Dr. Sushant Shendre, een research fellow bij NTU's LUMINOUS! Centre of Excellence voor halfgeleiderverlichting en displays.

Paper getiteld "Elektrische controle versterkte spontane emissie in colloïdale kwantumdots, " gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , 25 okt 2019.