Команда Національної лабораторії Лос-Аламоса подолала ключові проблеми щодо технологічно життєздатних випромінювачів світла високої інтенсивності на основі технології колоїдних квантових точок, що призвело до створення пристроїв з подвійною функцією, які працюють як лазер з оптичним збудженням, так і світлодіод з електричним приводом високої яскравості.
Як описано в журналі Advanced Materials, цей прогрес є ключовою віхою на шляху до колоїдного лазера на квантових точках з електричним накачуванням або лазерного діода, нового типу пристроїв, вплив яких поширюватиметься на численні технології, включаючи інтегровану електроніку та фотоніку, оптичні з’єднання, лабораторію. платформи на чіпі, пристрої для носіння та медична діагностика.
«Пошук колоїдних лазерних діодів на квантових точках є частиною всесвітніх зусиль, спрямованих на реалізацію лазерів і підсилювачів з електричним накачуванням на основі матеріалів, які можна обробляти розчином», — сказав Віктор Клімов, науковий співробітник хімічного відділу Лос-Аламоса та керівник дослідницької групи. «Ці пристрої шукали через їх сумісність практично з будь-якою підкладкою, масштабованість і легкість інтеграції з електронікою на чіпі та фотонікою, включаючи традиційні схеми на основі кремнію».
Як і в стандартних світлодіодах, у нових пристроях команди шар квантових точок діяв як електричний випромінювач світла. Однак через надзвичайно високу щільність струму понад 500 ампер на квадратний сантиметр пристрої продемонстрували безпрецедентний рівень яскравості понад мільйон кандел на квадратний метр (кандела вимірює потужність світла, що випромінюється в заданому напрямку). Завдяки такій яскравості вони добре підходять для таких застосувань, як дисплеї денного світла, проєктори та світлофори.
Шар квантових точок також поводився як ефективний хвилевідний підсилювач із великим чистим оптичним посиленням. Команда з Лос-Аламоса досягла вузькосмугової лазерної генерації за допомогою повнофункціонального стека світлодіодних пристроїв, що містить усі шари транспортування заряду та інші елементи, необхідні для електричної накачки. Цей прогрес відкриває двері для довгоочікуваної демонстрації лазерної генерації з електричним накачуванням, ефект, який дозволить повністю реалізувати технологію колоїдної квантової лазерної генерації.
Колоїдні квантові точки
Напівпровідникові нанокристали — або колоїдні квантові точки — є привабливими матеріалами для реалізації лазерних пристроїв, включаючи лазерні діоди. Їх можна приготувати з атомною точністю за допомогою хімічних методів при помірній температурі.
Крім того, через їхні малі розміри, які можна порівняти з природним обсягом електронних хвильових функцій, квантові точки демонструють дискретні електронні стани, подібні до атомів, енергія яких безпосередньо залежить від розміру частинок. Цей наслідок так званого ефекту «квантового розміру» можна використати для налаштування лінії генерації на бажану довжину хвилі або для розробки багатоколірного підсилювального середовища, яке підтримує генерацію на кількох довжинах хвиль. Додаткові переваги, отримані від своєрідного атомоподібного спектру електронних станів квантових точок, включають низькі пороги оптичного підсилення та пригнічену чутливість характеристик генерації до змін температури пристрою.
Більшість досліджень генерації квантових точок використовували короткі оптичні імпульси для збудження середовища оптичного посилення. Реалізація генерації з квантовими точками з електричним приводом є набагато складнішим завданням. Завдяки новим пристроям дослідницька група Лос-Аламоса зробила важливий крок на шляху до цієї мети.
«Одна проблема полягає в області проєктування електричних і оптичних пристроїв», — сказав Намйонг Ан, докторант директора лабораторії та провідний експерт із пристроїв у групі квантових точок. «Зокрема, архітектура інжекції заряду пристрою повинна бути здатна генерувати та підтримувати дуже високу густину струму, необхідну для дії лазера. Цей же пристрій також повинен демонструвати низькі оптичні втрати, щоб не пригнічувати посилення, створене в тонкому активному середовищі з квантовими точками».
Щоб підвищити оптичне посилення, команда розробила нові нанокристали, які вони назвали «компактними градуйованими квантовими точками».
«Ці нові квантові точки мають пригнічену рекомбінацію Оже завдяки вбудованому композиційному градієнту та водночас демонструють великий коефіцієнт підсилення, коли зібрані в щільно упакованому твердому тілі, яке використовується як середовище оптичного підсилення», — сказав Клеман Ліваш, постдок з квантової точки. команда, яка провела спектроскопічні дослідження виготовлених пристроїв. «Це допомагає реалізувати чисте оптичне посилення в складній електролюмінесцентній структурі, де тонкий шар квантових точок, що посилює світло, поєднується з декількома світлопоглинаючими шарами, що проводять заряд».
Щоб полегшити посилення світла, дослідники також зменшили оптичні втрати у своїх пристроях. Зокрема, вони переробили архітектуру введення заряду, видаливши металоподібні матеріали з оптично втратами та замінивши їх відповідним чином оптимізованими органічними шарами з низьким поглинанням. Крім того, вони розробили профіль поперечного перерізу пристрою, щоб зменшити інтенсивність оптичного поля в шарах транспортування заряду з високим ступенем поглинання та одночасно підвищити його в середовищі посилення квантових точок.
Нарешті, для забезпечення лазерних коливань розроблені пристрої були доповнені оптичним резонатором, виготовленим у вигляді періодичної решітки, яка була вбудована в один з електродів пристрою. Ця решітка діяла як так званий резонатор із розподіленим зворотним зв’язком, який дозволяв циркулювати світлу в бічній площині шару квантових точок, забезпечуючи багатопрохідне посилення.
