In een nieuw overzichtsartikel in Nature Photonics, wetenschappers van Los Alamos National Laboratory beoordelen de status van onderzoek naar colloïdale kwantumpuntlasers met een focus op toekomstige elektrisch gepompte apparaten, of laserdiodes. De review analyseert de uitdagingen voor het realiseren van lasers met elektrische excitatie, bespreekt benaderingen om ze te overwinnen, en onderzoekt recente vorderingen in de richting van dit doel.

"Colloïdale kwantumpuntlasers hebben een enorm potentieel in een reeks toepassingen, inclusief geïntegreerde optische schakelingen, draagbare technologieën, lab-on-a-chip-apparaten, en geavanceerde medische beeldvorming en diagnostiek, " zei Victor Klimov, een senior onderzoeker in de scheikunde-divisie in Los Alamos en hoofdauteur van het omslagartikel in Natuurfotonica . "Deze oplossing-verwerkte quantum dot laserdiodes bieden unieke uitdagingen, waar we goede vooruitgang mee boeken."

Heeyoung Jung en Namyoung Ahn, ook van de Chemistry-divisie van Los Alamos, zijn co-auteurs.

Halfgeleiderlasers, of laserdiodes, zijn een essentieel onderdeel van veel gangbare consumentenproducten en van geavanceerde apparatuur die wordt gebruikt in telecommunicatie, wetenschappelijk onderzoek, medicijn, en ruimteonderzoek. Gebruikelijk, deze apparaten maken gebruik van ultradunne halfgeleiderfilms, of kwantumbronnen, gegroeid via op vacuüm gebaseerde laag-voor-laag atomaire depositie.

Terwijl een uitstekende controle over de eigenschappen van het materiaal mogelijk is, deze kweekmethode stelt hoge eisen en vereist een cleanroom-omgeving. In aanvulling, het is beperkt tot een vrij klein aantal onderling compatibele materialen die worden gebruikt als lasermedium en een onderliggend substraat. specifiek, compatibiliteitsproblemen bemoeilijken de integratie van bestaande halfgeleiderlasers met standaard op silicium gebaseerde micro-elektronica aanzienlijk.

"Deze problemen kunnen in principe, worden opgelost met goedkope, in een oplossing verwerkbare lichtzenders, " zei Klimov. "In het bijzonder, een aantrekkelijk alternatief voor standaard kwantumbronnen zijn halfgeleiderdeeltjes die zijn bereid via bench-top colloïdale chemie."

Veel belangrijke mijlpalen die direct relevant zijn voor de ontwikkeling van colloïdale kwantumpuntlasers zijn bereikt in Los Alamos, in het team Nanotechnologie en geavanceerde spectroscopie van de divisie Chemie. Dit team houdt zich al meer dan twee decennia bezig met state-of-the-art quantum dot-onderzoek en is verantwoordelijk geweest voor talrijke bijdragen op het gebied van quantum dot-synthese, hun fundamentele studies en apparaattoepassingen.

Colloïdale kwantumdots kunnen in grote hoeveelheden worden gesynthetiseerd in een standaard natchemisch laboratorium met behulp van goedkope, gemakkelijk verkrijgbare voorlopers. Verder, ze kunnen worden gecombineerd met vrijwel elk substraat dat het probleem van compatibiliteit met siliciummicro-elektronica zou oplossen en nieuwe toepassingsgebieden zou openen die niet toegankelijk zijn met traditionele laserdiodes.

Er zijn ook extra voordelen die voortvloeien uit de unieke kwantumaard van colloïdale nanokristallen. Vooral, vanwege hun ultrakleine afmetingen, hun emissiegolflengte kan gemakkelijk worden afgestemd door variërende nanokristalafmetingen. Deze krachtige mogelijkheid kan laserdiodes mogelijk maken met een ultrabreed scala aan toegankelijke kleuren. Verder, de discrete structuur van quantum-dot atomaire toestanden remt thermische ontvolking van de laagste energie-emitterende toestanden en vermindert daardoor laserdrempels en verbetert de temperatuurstabiliteit van een laserapparaat.

"Ondanks deze potentiële voordelen, de colloïdale kwantumdots zijn moeilijk laserende materialen, "Zei Klimov. "Sinds het begin van de jaren '90 zijn nanokristallen van hoge kwaliteit beschikbaar. Echter, ze zouden pas rond 2000 duren, toen ons team in Los Alamos voor het eerst het effect van lichtversterking met cadmiumselenide-nanokristallen demonstreerde."

De sleutel tot deze demonstratie waren twee belangrijke ontdekkingen die in Los Alamos werden gedaan. Een daarvan was het besef dat optische versterking niet afhankelijk is van enkele excitonen (zoals in een standaard lichtemissieproces), maar op biexcitons en andere toestanden van hogere veelheid. De andere geïdentificeerde uitdaging was dat het primaire deactiveringskanaal van bi-excitontoestanden een zeer snelle niet-radiatieve Auger-recombinatie was, waarbij bi-excitonen warmte genereren in plaats van licht.

Om deze uitdagingen op te lossen, Los Alamos-onderzoekers gebruikten dicht opeengepakte kwantumdot-vaste stoffen, waardoor ze de snelheid van gestimuleerde emissie konden verhogen, zodat het Auger-verval kon overtreffen. Verder, ze gebruikten zeer korte (ongeveer 100 femtoseconde) pulsen om kwantumstippen te vullen met biexcitons voordat ze de kans kregen om te vervallen via het Auger-proces. Deze aanpak leverde een langverwacht resultaat op:de realisatie van versterkte spontane emissie, proof-of-principle voor colloïdale quantum dotlasing.

Auger-recombinatie vormt nog steeds een groot obstakel voor de realisatie van technologisch levensvatbare kwantumpuntlasers. Een andere serieuze uitdaging is de ontwikkeling van praktische apparaten die ultrahoge stroomdichtheden van honderden ampères per vierkante centimeter aankunnen die nodig zijn voor laseren. De realisatie van dergelijke structuren wordt enorm gecompliceerd door slechte ladingstransporteigenschappen van korrelige kwantumdot-vaste stoffen en hoge soortelijke weerstand van in oplossing verwerkte ladingstransportlagen. Als resultaat, apparaten raken snel oververhit bij hoge stroomdichtheden en falen uiteindelijk als gevolg van door warmte veroorzaakte storing.

Om het probleem van thermische schade op te lossen, Los Alamos ontwikkelde een nieuwe apparaatarchitectuur waarin de stroomtoevoer werd beperkt tot een klein gebied van 50 bij 300 micron. Deze stroomgerichte benadering verhoogt de stroomdichtheid en vermindert tegelijkertijd het warmteopwekkingsvolume en verbetert de warmteuitwisseling met de omgeving. Een extra truc was om dragers in korte stroomstoten af ​​te leveren waartussen het actieve volume de kans kreeg om warmte af te geven aan een omringend medium.

Dankzij deze maatregelen konden de huidige dichtheden worden opgevoerd tot ongekende niveaus van ongeveer 1, 000 ampère per vierkante centimeter, meer dan honderdvoudige verbetering in vergelijking met eerdere records. Dit was voldoende om breedband optische versterking te bereiken die laserstraling over een breed bereik van golflengten van rood tot geel kan ondersteunen met een enkel quantum dot-monster.

Een andere uitdaging is het opnemen van een optische resonator, zodat deze de ladingsinjectiepaden niet verstoort en, tegelijkertijd, behoudt laserwerking ondanks de aanwezigheid van "optisch verliesgevende" ladingstransportlagen. Dit probleem is onlangs ook opgelost door onderzoekers van Los Alamos.

Vooral, ze pasten een interessante benadering toe waarbij een optische resonator werd geprepareerd als een periodiek rooster gegraveerd in een laag die dienst doet als elektroneninjector. Op deze manier, ze behielden een standaardarchitectuur van een lichtemitterende diode (LED), maar gaven deze een extra functie als laserapparaat. De ontwikkelde structuren met twee functies presteerden als een standaard LED die werkt onder elektrisch pompen en een laser die optisch wordt geactiveerd.

De laatste stap is om al deze strategieën te combineren in een enkel apparaat dat in staat is om te laseren met elektrische excitatie. Gezien recente ontwikkelingen in architecturen met ultrahoge stroomdichtheid en succesvolle recepten voor holte-integratie, dit doel lijkt binnen handbereik, wat suggereert dat colloïdale kwantumpuntlaserdiodes binnenkort werkelijkheid kunnen worden.