Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von elektrisch angetriebenen kolloidalen Quantenpunkten endlich erreicht

In einem jahrzehntelangen Ergebnis haben Wissenschaftler von Los Alamos eine Lichtverstärkung mit elektrisch angetriebenen Geräten erreicht, die auf lösungsgegossenen Halbleiter-Nanokristallen basieren – winzige Partikel von Halbleitermaterial, die durch chemische Synthese hergestellt und oft als kolloidale Quantenpunkte bezeichnet werden.

Diese Demonstration, berichtet in der Zeitschrift Naturöffnet die Tür zu einer völlig neuen Klasse von elektrisch gepumpten Lasergeräten – hochflexible, aus Lösung verarbeitbare Laserdioden, die auf jedem kristallinen oder nichtkristallinen Substrat hergestellt werden können, ohne dass ausgeklügelte vakuumbasierte Wachstumstechniken oder eine streng kontrollierte Reinigung erforderlich sind -Raumklima.

„Die Möglichkeiten zur Erzielung einer Lichtverstärkung mit elektrisch angetriebenen kolloidalen Quantenpunkten sind aus Jahrzehnten unserer früheren Forschung zur Synthese von Nanokristallen, ihren photophysikalischen Eigenschaften und dem optischen und elektrischen Design von Quantenpunktgeräten hervorgegangen“, sagte Victor Klimov, Laboratory Fellow und Leiter des Quantenpunkt-Forschungsinitiative.

„Unsere neuartigen, ‚kompositionell abgestuften‘ Quantenpunkte weisen eine lange optische Verstärkungslebensdauer, große Verstärkungskoeffizienten und niedrige Laserschwellen auf – Eigenschaften, die sie zu einem perfekten Lasermaterial machen. Die entwickelten Ansätze zur Erzielung einer elektrisch angetriebenen Lichtverstärkung mit lösungsgegossenen Nanokristallen könnten zur Lösung beitragen eine seit langem bestehende Herausforderung, photonische und elektronische Schaltungen auf demselben Siliziumchip zu integrieren, und ist bereit, viele andere Bereiche voranzutreiben, die von Beleuchtung und Displays bis hin zu Quanteninformationen, medizinischer Diagnostik und chemischer Sensorik reichen.“

Mehr als zwei Jahrzehnte Forschung

Die Forschung über mehr als zwei Jahrzehnte hat versucht, kolloidale Quantenpunktlaser mit elektrischem Pumpen zu erreichen, eine Voraussetzung für ihre weit verbreitete Verwendung in praktischen Technologien. Herkömmliche Laserdioden, die in modernen Technologien allgegenwärtig sind, erzeugen bei elektrischer Anregung hochmonochromatisches, kohärentes Licht. Aber sie haben Mängel: Herausforderungen bei der Skalierbarkeit, Lücken im Bereich der zugänglichen Wellenlängen und vor allem eine Inkompatibilität mit Siliziumtechnologien, die ihre Verwendung in der Mikroelektronik einschränkt. Diese Probleme haben die Suche nach Alternativen im Bereich hochflexibler und leicht skalierbarer, aus Lösungen verarbeitbarer Materialien angespornt.

Chemisch hergestellte kolloidale Quantenpunkte sind besonders attraktiv für die Implementierung von aus Lösung prozessierbaren Laserdioden. Sie sind nicht nur mit kostengünstigen und leicht skalierbaren chemischen Techniken kompatibel, sondern bieten auch die Vorteile einer größenabstimmbaren Emissionswellenlänge, niedriger optischer Verstärkungsschwellenwerte und Hochtemperaturstabilität der Lasereigenschaften.

Mehrere Herausforderungen haben jedoch die Entwicklung der Technologie behindert, darunter schnelle Auger-Rekombination von verstärkungsaktiven Mehrträgerzuständen, schlechte Stabilität von Nanokristallfilmen bei hohen Stromdichten, die für das Lasern erforderlich sind, und die Schwierigkeit, eine optische Nettoverstärkung in einem komplexen elektrisch betriebenen Gerät zu erzielen, wobei a Eine dünne elektrolumineszierende Nanokristallschicht wird mit verschiedenen optisch verlustbehafteten, ladungsleitenden Schichten kombiniert, die dazu neigen, von den Nanokristallen emittiertes Licht zu absorbieren.

Lösungen für Herausforderungen bei kolloidalen Quantenpunktlaserdioden

Eine Reihe von technischen Herausforderungen mussten gelöst werden, um elektrisch angetriebene kolloidale Quantenpunktlaser zu realisieren. Quantenpunkte müssen nicht nur Licht emittieren, sie müssen erzeugte Photonen durch stimulierte Emission vervielfachen. Dieser Effekt kann in Laseroszillationen oder Lasern umgewandelt werden, indem die Quantenpunkte mit einem optischen Resonator kombiniert werden, der das emittierte Licht durch das Verstärkungsmedium zirkulieren lässt. Lösen Sie das, und Sie haben elektrisch angetriebene Quantenpunktlaser.

In Quantenpunkten konkurriert die stimulierte Emission mit der sehr schnellen strahlungslosen Auger-Rekombination, dem Haupthindernis des Laserns in diesen Materialien. Das Team von Los Alamos entwickelte einen hochwirksamen Ansatz zur Unterdrückung des strahlungslosen Auger-Zerfalls, indem es sorgfältig konstruierte Zusammensetzungsgradienten in das Innere des Quantenpunkts einführte.

Es sind auch sehr hohe Stromdichten erforderlich, um das Laserregime zu erreichen. Dieser Strom kann jedoch ein Gerät zum Scheitern bringen.

„Eine typische Quantenpunkt-Leuchtdiode arbeitet bei Stromdichten, die etwa 1 Ampere pro Quadratzentimeter nicht überschreiten“, sagte Namyoung Ahn, Postdoctoral Fellow des Direktors von Los Alamos und leitender Experte für Gerätedesign für das Projekt. „Die Realisierung von Lasern erfordert jedoch zehn bis hundert Ampere pro Quadratzentimeter, was normalerweise zu einem Geräteausfall aufgrund von Überhitzung führen würde. Dies war ein Hauptproblem, das die Realisierung von Lasern mit elektrischem Pumpen behinderte.“

Um das Überhitzungsproblem zu lösen, beschränkte das Team den elektrischen Strom auf räumliche und zeitliche Bereiche, wodurch letztendlich die Menge der erzeugten Wärme reduziert und gleichzeitig der Wärmeaustausch mit einem umgebenden Medium verbessert wurde. Um diese Ideen umzusetzen, bauten die Forscher eine isolierende Zwischenschicht mit einer kleinen, stromfokussierenden Öffnung in einen Gerätestapel ein und verwendeten kurze elektrische Impulse (etwa 1 Mikrosekunde Dauer), um die LEDs anzusteuern.

Die entwickelten Geräte waren in der Lage, beispiellose Stromdichten von bis zu etwa 2.000 Ampere pro Quadratzentimeter zu erreichen, was ausreicht, um eine starke, breitbandige optische Verstärkung zu erzeugen, die sich über mehrere optische Quantenpunktübergänge erstreckt.

„Eine weitere Herausforderung besteht darin, ein günstiges Gleichgewicht zwischen optischer Verstärkung und optischen Verlusten in einem vollständigen LED-Gerätestapel zu erreichen, der verschiedene ladungsleitende Schichten enthält, die eine starke Lichtabsorption aufweisen können“, sagte Labor-Postdoktorand Clément Livache, der die spektroskopische Komponente dieses Projekts koordinierte . „Um dieses Problem anzugehen, haben wir einen Stapel dielektrischer Doppelschichten hinzugefügt, die einen sogenannten verteilten Bragg-Reflektor bilden.“

Unter Verwendung eines Bragg-Reflektors als darunterliegendes Substrat waren die Forscher in der Lage, eine räumliche Verteilung eines elektrischen Felds über das Gerät zu steuern und es so zu formen, dass die Feldintensität in optisch verlustbehafteten ladungsleitenden Schichten reduziert und das Feld im Quantenpunkt verstärkt wurde mittel gewinnen.

Mit diesen Innovationen demonstrierte das Team einen Effekt, den die Forschungsgemeinschaft seit Jahrzehnten verfolgt: helle verstärkte spontane Emission (ASE), die mit elektrisch gepumpten kolloidalen Quantenpunkten realisiert wird. Beim ASE-Prozess starten „Seed-Photonen“, die durch spontane Emission erzeugt werden, eine „Photonenlawine“, die durch stimulierte Emission von den angeregten Quantenpunkten angetrieben wird. Dies erhöht die Intensität des emittierten Lichts, erhöht seine Richtwirkung und verbessert die Kohärenz. ASE kann als Vorläufer des Laserns angesehen werden, dem Effekt, der entsteht, wenn ein ASE-fähiges Medium mit einem optischen Resonator kombiniert wird.

Die Quantenpunkt-LEDs vom ASE-Typ stellen einen beträchtlichen praktischen Nutzen als Quellen von stark gerichtetem, schmalbandigem Licht für Anwendungen in Konsumgütern (z. B. Displays und Projektoren), Metrologie, Bildgebung und wissenschaftlichen Instrumenten dar. Interessante Möglichkeiten sind auch mit der voraussichtlichen Verwendung dieser Strukturen in der Elektronik und Photonik verbunden, traditionell und Quanten, wo sie helfen können, spektral abstimmbare optische On-Chip-Verstärker zu realisieren, die mit verschiedenen Arten von optischen Verbindungen und photonischen Strukturen integriert sind.

Was kommt als nächstes?

Derzeit arbeitet das Team daran, Laseroszillationen mit elektrisch gepumpten Quantenpunkten zu realisieren. Bei einem Ansatz integrieren sie in die Geräte ein sogenanntes „Distributed Feedback Grating“, eine periodische Struktur, die als optischer Resonator wirkt, der Licht im Quantenpunktmedium zirkuliert. Das Team zielt auch darauf ab, die spektrale Abdeckung seiner Geräte zu erweitern, wobei der Schwerpunkt auf der Demonstration der elektrisch angetriebenen Lichtverstärkung im Bereich von Infrarotwellenlängen liegt.

In Lösung verarbeitbare Infrarot-Vorrichtungen mit optischer Verstärkung könnten in Siliziumtechnologien, Kommunikation, Bildgebung und Sensorik von großem Nutzen sein.