Ein Team des Los Alamos National Laboratory hat die wichtigsten Herausforderungen in Richtung technologisch realisierbarer hochintensiver Lichtemitter auf der Grundlage der kolloidalen Quantenpunkttechnologie überwunden, was zu Doppelfunktionsgeräten führte, die sowohl als optisch angeregter Laser als auch als elektrisch betriebene Leuchtdiode mit hoher Helligkeit fungieren (LED).
Wie in der Zeitschrift beschrieben Fortgeschrittene Werkstoffestellt dieser Fortschritt einen wichtigen Meilenstein in Richtung eines elektrisch gepumpten kolloidalen Quantenpunktlasers oder einer Laserdiode dar, einer neuen Art von Geräten, deren Auswirkungen zahlreiche Technologien umfassen würden, darunter integrierte Elektronik und Photonik, optische Verbindungen, Lab-on-a-Chip-Plattformen und Wearables Geräte und medizinische Diagnostik.
„Die Suche nach kolloidalen Quantenpunktlaserdioden ist Teil einer weltweiten Anstrengung, die darauf abzielt, elektrisch gepumpte Laser und Verstärker auf der Grundlage von aus Lösungen verarbeitbaren Materialien zu realisieren“, sagte Victor Klimov, Wissenschaftler in der Chemieabteilung von Los Alamos und Teamleiter der Forschung. „Diese Geräte wurden wegen ihrer Kompatibilität mit praktisch jedem Substrat, ihrer Skalierbarkeit und einfachen Integration mit On-Chip-Elektronik und Photonik, einschließlich traditioneller siliziumbasierter Schaltungen, verfolgt.“
Wie in einer Standard-LED fungierte in den neuen Geräten des Teams die Quantenpunktschicht als elektrisch betätigter Lichtemitter. Aufgrund der extrem hohen Stromdichten von mehr als 500 Ampere pro Quadratzentimeter zeigten die Geräte jedoch eine beispiellose Helligkeit von mehr als einer Million Candela pro Quadratmeter (Candela misst die in eine bestimmte Richtung emittierte Lichtleistung). Diese Helligkeit macht sie gut geeignet für Anwendungen wie Tageslichtanzeigen, Projektoren und Ampeln.
Die Quantenpunktschicht verhielt sich auch als effizienter Wellenleiterverstärker mit großer optischer Nettoverstärkung. Das Team von Los Alamos erzielte Schmalband-Lasern mit einem voll funktionsfähigen Gerätestapel vom LED-Typ, der alle Ladungstransportschichten und andere Elemente enthält, die für das elektrische Pumpen erforderlich sind. Dieser Fortschritt öffnet die Tür für die mit Spannung erwartete Demonstration des Laserns mit elektrischem Pumpen, dem Effekt, der die vollständige Realisierung der kolloidalen Quantenpunkt-Lasertechnologie ermöglichen wird.
Kolloidale Quantenpunkte
Halbleiter-Nanokristalle – oder kolloidale Quantenpunkte – sind attraktive Materialien für die Implementierung von Lasergeräten, einschließlich Laserdioden. Sie können mit atomarer Präzision durch chemische Verfahren bei gemäßigter Temperatur hergestellt werden.
Darüber hinaus weisen Quantenpunkte aufgrund ihrer geringen Abmessungen, vergleichbar mit einem natürlichen Ausmaß elektronischer Wellenfunktionen, diskrete atomähnliche elektronische Zustände auf, deren Energien direkt von der Partikelgröße abhängen. Diese Folge eines sogenannten „Quantengrößen“-Effekts kann ausgenutzt werden, um die Laserlinie auf eine gewünschte Wellenlänge abzustimmen oder um ein mehrfarbiges Verstärkungsmedium zu entwerfen, das das Lasern bei mehreren Wellenlängen unterstützt. Zusätzliche Vorteile, die sich aus einem besonderen atomähnlichen Spektrum elektronischer Quantenpunktzustände ableiten, umfassen niedrige optische Verstärkungsschwellenwerte und eine unterdrückte Empfindlichkeit der Lasereigenschaften gegenüber Änderungen der Vorrichtungstemperatur.
Innovationsdesign zur Lösung elektrischer Pumpenherausforderungen
Die meisten Quantenpunktlaserforschungen haben kurze optische Pulse zum Anregen eines optischen Verstärkungsmediums verwendet. Die Realisierung von Lasern mit elektrisch angetriebenen Quantenpunkten ist eine viel anspruchsvollere Aufgabe. Mit ihren neuen Geräten ist das Forschungsteam von Los Alamos diesem Ziel einen wichtigen Schritt näher gekommen.
„Eine Herausforderung liegt im Bereich des Designs elektrischer und optischer Geräte“, sagte Namyoung Ahn, Postdoc-Stipendiat eines Labordirektors und leitender Geräteexperte im Quantenpunktteam. „Insbesondere die Ladungsinjektionsarchitektur des Geräts muss in der Lage sein, sehr hohe Stromdichten zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, die für die Laserwirkung erforderlich sind. Dasselbe Gerät muss auch geringe optische Verluste aufweisen, um die in einem dünnen aktiven Quantenpunktmedium erzeugte Verstärkung nicht zu unterdrücken.“
Um die optische Verstärkung zu steigern, entwickelte das Team neue Nanokristalle, die sie „kompakte kompositorisch abgestufte Quantenpunkte“ nannten.
„Diese neuartigen Quantenpunkte weisen aufgrund eines eingebauten Zusammensetzungsgradienten eine unterdrückte Auger-Rekombination auf und weisen gleichzeitig einen großen Verstärkungskoeffizienten auf, wenn sie in einem dicht gepackten Festkörper zusammengebaut werden, der als optisches Verstärkungsmedium verwendet wird“, sagte Clément Livache, Postdoc über den Quantenpunkt Team, das spektroskopische Untersuchungen der hergestellten Geräte durchführte. „Dies trägt dazu bei, einen optischen Nettogewinn in einer komplexen Elektrolumineszenzstruktur zu realisieren, bei der eine dünne, lichtverstärkende Quantenpunktschicht mit mehreren lichtabsorbierenden, ladungsleitenden Schichten kombiniert wird.“
Um die Lichtverstärkung zu erleichtern, reduzierten die Forscher auch optische Verluste in ihren Geräten. Insbesondere gestalteten sie die Ladungsinjektionsarchitektur neu, indem sie optisch verlustbehaftete metallähnliche Materialien entfernten und sie durch richtig optimierte organische Schichten mit niedrigem Absorptionsvermögen ersetzten. Darüber hinaus konstruierten sie ein Bauelement-Querschnittsprofil, um die optische Feldintensität in stark absorbierenden Ladungstransportschichten zu reduzieren und sie gleichzeitig im Quantenpunkt-Verstärkungsmedium zu verstärken.
Um schließlich Laseroszillationen zu ermöglichen, wurden die entwickelten Geräte durch einen als periodisches Gitter präparierten optischen Resonator ergänzt, der in eine der Geräteelektroden integriert wurde. Dieses Gitter fungierte als sogenannter Resonator mit verteilter Rückkopplung, der es ermöglichte, Licht in der lateralen Ebene der Quantenpunktschicht zu zirkulieren, was eine Verstärkung in mehreren Durchgängen ermöglichte.
Die letzte Herausforderung
Der Lasereffekt wurde durch optische Anregung erzielt. Lasern unter Verwendung von elektrischem Pumpen wurde nicht beobachtet wegen einer Verschlechterung der Vorrichtungsleistung, die durch übermäßige Wärme verursacht wird, die durch einen fließenden Strom erzeugt wird. Dies ist die letzte Herausforderung, die angegangen werden muss, um elektrisch angetriebene Laseroszillationen zu demonstrieren.
Noch vor wenigen Jahren galten elektrisch gepumpte kolloidale Quantenpunktlaser aufgrund von Problemen wie dem ultraschnellen Auger-Zerfall, unzureichenden Stromdichten in Quantenpunkt-LEDs und Schwierigkeiten beim Kombinieren von Elektrolumineszenz- und Laserfunktionen in demselben Gerät allgemein als unmöglich. Die Ergebnisse des Quantenpunkt-Teams von Los Alamos zeigen praktische Lösungen für die meisten dieser Probleme, was darauf hindeutet, dass eine funktionsfähige Quantenpunkt-Laserdiode in unmittelbarer Nähe ist.
Mehr Informationen:
Namyoung Ahn et al., Optisch angeregtes Lasern in einer hohlraumbasierten Quantenpunkt-Elektrolumineszenzvorrichtung mit hoher Stromdichte, Fortgeschrittene Werkstoffe (2022). DOI: 10.1002/adma.202206613