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。
相关推荐
-
原材料涨价550%！对激光器厂商影响多大？
近日，A2类光纤预制棒价格暴涨的消息引发产业链的广泛关注。据央视财经报道，A2类光纤预制棒作为高端产品分类正出现爆发式需求。数据显示，该类预制棒报价由2025年初的22元至30元/等效芯公里涨至202
-
高速光纤通信中的半导体激光器
光通信如火如荼，激光器是其核心之一，二者如何相处呢？ 1. 高速通信对光源的严峻挑战 动态单纵模需求：随着传输速率提升至10~20Gb/s，系统必须使用单模光纤和动态单纵模（SLM）激光器。 普通激光
-
芯片烧灼异常
激光器芯片特别是侧发光FP芯片，出光面能量高，COD很严重，COD也叫腔面光学灾变（Catastrophic Optical Damage，COD）。 该现象特指在高功率半导体激光器中，由于腔面处光功
-
硅光技术，谁是盈利最强企业？
硅光子技术是一种光通信技术，使用激光束代替电子半导体信号传输数据，是基于硅和硅基衬底材料，利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。 相较于传统分立元器件，采用硅光技术的集成元器件更具高速
-
关于激光器芯片的切割问题
? ?激光器芯片的切割是一个十分重要的工序，可以直观影响到芯片的外观良率。这个也是最容易被后面客户追问的异常重点。激光器芯片因为要用端面做出光面和高反射面，因此需要端面是一个镜面，因此不能有外力破坏，
-
【聚焦】高重频飞秒激光器研制难度大 我国政策推动相关技术研究不断深入
重复频率是超快激光的重要性能参数，通常飞秒激光的重复频率在MHz级别，高重频是指重复频率达到1GHz以上。 高重频飞秒激光器，是指高重复频率（大于1GHz）的飞秒激光器，也称GHz重频飞秒激光器。高重频飞秒激光具有输出平均功率高、单纵模功率高、脉冲短、光束质量高、模场间隔较大、采样速率较高等特点
-
一个支点，撬动算力生态协同
狄更斯说：“这是一个最好的时代，也是一个最坏的时代。” 如果给这个时代一个更准确的定位，这是一个AI的时代。2024年《政府工作报告》提出：“要大力推进现代化产业体系建设，加快发展新质生产力
