美国科学家利用胶体量子点技术开发出高强度光发射器

近日，来自美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的一组研究人员克服了基于胶体量子点技术的高强度发光器件领域的关键挑战，从而产生了既可作为光激发激光器又可作为高亮度电驱动发光二极管（LED）的双功能器件。

这一进展发表在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上，它代表了电泵浦胶体量子点激光器或激光二极管的一个关键里程碑。据介绍，这是一种新型设备，其影响将跨越众多技术，包括集成电子和光子学、光学互连、芯片实验室平台、可穿戴设备和医疗诊断。

LANL化学部门的科学家、该研究团队负责人Victor Klimov指出：“对胶体量子点激光二极管的探索代表了全球范围内实现基于可溶液处理材料的电泵浦激光器和放大器的努力的一部分。这些器件一直被科学界追求要与几乎任何衬底的兼容性、可扩展性和易于与片上电子和光子学集成，包括传统的硅基电路。”

与标准LED一样，在该团队的新设备中，量子点层充当了电力驱动的光发射器。然而，由于电流密度极高（＞500 A/cm²），这些设备显示出前所未有的亮度水平——超过100万坎德拉／每平方米（1×10⁶ cd／m²）。而这样的亮度，也使得它们非常适合于日光显示器、投影仪和交通灯等应用。

这种特殊的量子点层还表现为具有较大净光学增益的高效波导放大器。LANL研究小组通过一个功能齐全的LED型设备堆栈实现了窄带激光，该设备堆栈包含所有电荷传输层和电泵浦所需的其他元素。这一进步为人们高度期待的电抽运激光演示打开了大门，这种效果将使胶体量子点激光技术完全实现。

“驯服”胶体量子点

半导体纳米晶体或胶体量子点是用于实现激光器件（包括激光二极管）的一种极具吸引力的材料。它们可以通过中温化学技术以原子精度水平进行制备。

此外，由于量子点的尺寸较小，与电子波函数的自然范围相当，它们表现出离散的原子状电子状态，其能量直接取决于粒子的大小。这种所谓的“量子尺寸”（quantum－size）效应的结果可以用来调整激光线至特定波长，又或者设计支持多个波长激光的多色增益介质。因其低光学增益阈值和抑制激光特性，来自量子点电子态的特殊原子样光谱，还可以实现对器件温度变化的敏感性。

创新设计，解决电泵浦挑战

大多数量子点激光研究都是利用短光脉冲来激发光学增益介质，而实现电驱动量子点的激光器则是一项更具挑战性的任务。借助他们的新设备，LANL研究小组将实现功能性的量子点激光二极管。

LANL实验室主任的博士后研究员、量子点团队的首席器件专家Namyoung Ahn表示，“电气和光学器件设计是非常关键的一点，该设备的电荷注入架构必须能够产生和维持激光作用所需的非常高的电流密度。同样，它还必须表现出低光学损耗，以免抑制在薄量子点活性介质中产生的增益。”

为了提高光学增益，该团队开发了新的纳米晶体，他们称之为“紧凑的成分分级量子点”。为了促进光放大，研究人员还减少了设备的光学损耗。其中，他们重新设计了电荷注入结构，去掉了光学损耗的类金属材料，取而代之的是适当优化的低吸收率有机层。他们还设计了一种器件横截面剖面，以降低高吸收电荷传输层中的光场强度，同时增强量子点增益介质中的光场强度。

最后，为了实现激光振荡，他们所开发的器件由一个周期光栅制备的光学腔补充，该光学腔被集成到器件的一个电极中。该光栅作为所谓的分布式反馈谐振器，允许在量子点层的横向平面上循环光，能够实现多通路放大。

最后的挑战

研究人员们利用光激发实现了激光效应。但由于通过电流产生的过热会导致器件性能下降，因此没有观察到使用电泵浦的激光。这也是演示电驱动激光振荡需要解决的最后一个挑战。

就在几年前，由于超快俄歇衰变、量子点LED电流密度不足以及在同一器件中难以结合电致发光和激光功能等问题，人们普遍认为电泵浦胶体量子点激光器是不可能实现的。而LANL实验室团队的研究结果证明了这些问题的实际解决方案，它表明打造功能性量子点激光二极管这一愿景的实现已经近在眼前。