Rood, groente, en blauwe lasers zijn klein en goedkoop genoeg geworden om hun weg te vinden naar producten variërend van BluRay dvd-spelers tot luxe pennen, maar elke kleur is gemaakt met verschillende halfgeleidermaterialen en door uitgebreide kristalgroeiprocessen. Een nieuwe prototypetechnologie laat zien dat alle drie die kleuren uit één materiaal komen. Dat zou de deur kunnen openen naar het maken van producten, zoals hoogwaardige digitale displays, die tegelijkertijd een verscheidenheid aan laserkleuren gebruiken.

"Om vandaag een laserdisplay met willekeurige kleuren te maken, van wit tot roze of groenblauw, je zou deze drie afzonderlijke materiaalsystemen nodig hebben om samen te komen in de vorm van drie verschillende lasers die op geen enkele manier iets met elkaar gemeen zouden hebben, " zei Arto Nurmikko, hoogleraar engineering aan de Brown University en senior auteur van een paper waarin de innovatie in het tijdschrift wordt beschreven Natuur Nanotechnologie . "Betreed nu een klasse materialen die halfgeleiderkwantumdots worden genoemd."

De materialen in prototypelasers die in het artikel worden beschreven, zijn halfgeleiderdeeltjes van nanometerformaat, colloïdale kwantumdots of nanokristallen genaamd, met een binnenkern van cadmium en seleniumlegering en een coating van zink, cadmium, en zwavellegering en een gepatenteerde organische moleculaire lijm. Chemici bij QD Vision van Lexington, Massa., de nanokristallen synthetiseren met behulp van een nat-chemisch proces waarmee ze de nanokristalgrootte nauwkeurig kunnen variëren door de productietijd te variëren. De grootte is alles wat moet veranderen om verschillende kleuren laserlicht te produceren:kernen van 4,2 nanometer produceren rood licht, Die van 3,2 nanometer geven groen licht en die van 2,5 nanometer schijnen blauw. Verschillende maten zouden andere kleuren langs het spectrum produceren.

De bekleding en de nanokristalstructuur zijn cruciale vorderingen die verder gaan dan eerdere pogingen om lasers te maken met colloïdale kwantumdots, zei hoofdauteur Cuong Dang, een senior onderzoeksmedewerker en laboratoriummanager voor nanofotonica in de groep van Nurmikko bij Brown. Vanwege hun verbeterde kwantummechanische en elektrische prestaties, hij zei, de gecoate piramides hebben 10 keer minder gepulseerde energie nodig of 1, 000 keer minder vermogen om laserlicht te produceren dan eerdere pogingen tot technologie.

Quantum nagellak

Wanneer scheikundigen bij QDVision een partij colloïdale kwantumstippen brouwen voor door Brown ontworpen specificaties, Dang en Nurmikko krijgen een flesje met een stroperige vloeistof waarvan Nurmikko zei dat het enigszins op nagellak lijkt. Om een ​​laser te maken, Dang bedekt een vierkant glas - of een verscheidenheid aan andere vormen - met de vloeistof. Als de vloeistof verdampt, wat er op het glas achterblijft, zijn verschillende dicht opeengepakte vaste, sterk geordende lagen van de nanokristallen. Door dat glas tussen twee speciaal geprepareerde spiegels te plaatsen, Dang creëert een van de meest uitdagende laserstructuren, een oppervlakte-emitterende laser met verticale holte genoemd. Het door Brown geleide team was de eerste die een werkende VCSEL maakte met colloïdale kwantumstippen.

De buitenste coating van de nanokristallen legering van zink, cadmium, zwavel en dat moleculaire lijm belangrijk is omdat het een geëxciteerde elektronische toestandvereiste voor laseren vermindert en de nanokristallen beschermt tegen een soort overspraak die het moeilijk maakt om laserlicht te produceren, zei Nurmikko. Elke batch colloïdale kwantumdots heeft een paar defecte, maar normaal gesproken zijn slechts een paar voldoende om de lichtversterking te verstoren.

Geconfronteerd met een hoge geëxciteerde elektronische toestandsvereiste en destructieve overspraak in een dicht opeengepakte laag, eerdere groepen moesten hun stippen met veel kracht pompen om ze voorbij een hogere drempel te duwen voor het produceren van lichtversterking, een kernelement van elke laser. Ze intens pompen, echter, geeft aanleiding tot een ander probleem:een overmaat aan geëxciteerde elektronische toestanden die excitonen worden genoemd. Als er te veel van deze excitonen tussen de kwantumstippen zijn, energie die licht zou kunnen produceren, gaat eerder verloren als warmte, meestal door een fenomeen dat bekend staat als het Auger-proces.

De structuur en de buitenste bekleding van de nanokristallen verminderen destructieve overspraak en verlagen de energie die nodig is om de kwantumstippen te laten schijnen. Dat vermindert de energie die nodig is om de kwantumpuntlaser te pompen en verkleint aanzienlijk de kans dat het niveau van excitonen wordt overschreden waarbij het Auger-proces energie wegvoert. In aanvulling, een voordeel van de structuur van de nieuwe aanpak is dat de stippen sneller kunnen handelen, licht vrijgeven voordat het Auger-proces kan beginnen, zelfs in de zeldzame gevallen dat het nog steeds begint.

"We zijn erin geslaagd om te laten zien dat het mogelijk is om niet alleen licht, maar laserlicht, " zei Nurmikko. "In principe, we hebben nu enkele voordelen:dezelfde chemie gebruiken voor alle kleuren, lasers produceren op een zeer goedkope manier, relatief gezien, en de mogelijkheid om ze op alle soorten oppervlakken aan te brengen, ongeacht de vorm. Dat maakt allerlei apparaatconfiguraties voor de toekomst mogelijk."