In een baanbrekende ontwikkeling, Wetenschappers van Los Alamos hebben aangetoond dat ze met succes licht kunnen versterken met behulp van elektrisch aangeslagen films van de chemisch gesynthetiseerde halfgeleider nanokristallen die bekend staan ​​als kwantumstippen. De quantum dot-films zijn geïntegreerd in apparaten zoals de nu alomtegenwoordige light-emitting diodes (LED's), maar, in dit geval ontworpen om de hoge stroomdichtheden te ondersteunen die nodig zijn om het optische versterkingsregime te bereiken. Je ziet elke dag laserdiodes in laserpointers, barcodelezers en dergelijke, en een belangrijk element van dergelijke apparaten is een medium met optische versterking, die in plaats van invallend licht te absorberen, versterkt het.

"Optische winst met elektrisch aangeslagen quanum dots is nu een realiteit, " zei Victor Klimov, hoofd van het quantum dot-team in Los Alamos. "We hebben gewerkt aan de ontwikkeling van nieuwe lasermedia, met behulp van chemisch gesynthetiseerde kwantumdots, hoewel algemeen werd aangenomen dat kwantumdotlasing met elektrische stimulatie gewoonweg onmogelijk is, " zei hij. "Door onze speciaal ontworpen stippen te gebruiken, we kunnen energieverliezen door Auger-recombinatie vermijden."

nieuwe lasers, efficiënter gemaakt

Deze resultaten tonen de haalbaarheid aan van een nieuwe generatie zeer flexibele, elektrisch gepompte lasers die kunnen worden verwerkt uit oplossingen die bestaande laserdiodes kunnen aanvullen of zelfs vervangen die zijn vervaardigd met behulp van complexere en duurdere op vacuüm gebaseerde epitaxiale technieken. Deze toekomstige apparaten kunnen een verscheidenheid aan toepassingen mogelijk maken, van RGB-lasermodules voor displays en projectoren, tot microlasers met meerdere golflengten voor biologische en chemische diagnostiek.

Designer dots zonder warmteverlies

In het nieuwe rapport dat vandaag is gepubliceerd in Natuurmaterialen , het Los Alamos-team laat zien dat het gebruik van hun "designer" kwantumstippen, ze kunnen lichtversterking bereiken in een nanokristalvaste stof met gelijkstroom elektrisch pompen. De belangrijkste eigenschap van de nieuwe kwantumstippen, het succes van het uitgevoerde onderzoek onderstrepen, is een zorgvuldig ontworpen deeltjesinterieur waarin de samenstelling van het materiaal continu wordt gevarieerd langs een radiale richting. Deze benadering elimineert scherpe stappen in de atomaire samenstelling die normaal Auger-recombinatie zouden veroorzaken. Als resultaat, de gemanipuleerde kwantumstippen hebben een bijna volledige onderdrukking van het warmteverlies van het Auger-effect, en dit maakt het mogelijk om de energie die vrijkomt door de elektrische stroom om te leiden naar het lichtemissiekanaal in plaats van verspillende warmte.

Het Los Alamos-nanotechnologieteam ontdekte oorspronkelijk het lasereffect in halfgeleidernanokristallen in 2000. In deze proof-of-principle-experimenten, gerapporteerd in het journaal Wetenschap , de kwantumstippen werden gestimuleerd met zeer korte (femtoseconde) laserpulsen die werden gebruikt om de optische versterkingsverval veroorzaakt door het Auger-proces te overtreffen. Korte levensduur van optische versterkingen vormt een bijzonder ernstig probleem in het geval van elektrisch pompen, wat een inherent langzaam proces is, omdat elektronen en gaten één voor één in de kwantumdot worden geïnjecteerd.

Gefocust blijven

Een ander belangrijk element van dit werk is een speciale "stroomfocusserende" apparaatarchitectuur die de hoge stroomdichtheden mogelijk maakt die nodig zijn voor het bereiken van optische versterking. De methode die door Los Alamos-onderzoekers werd gebruikt, was om een ​​van de ladingsinjectie-elektroden taps te maken, beperking van de grootte van het stroomgeleidende gebied tot minder dan 100 micron. Met behulp van deze strategie, ze waren in staat om een ​​stroomconcentratie te produceren die voldoende was om het regime van lichtversterking te bereiken zonder de stippen of de injectielagen te beschadigen.