L’amplification de la lumière par émission stimulée à partir de points quantiques colloïdaux électriques enfin réalisée

Au cours de plusieurs décennies d’élaboration, les scientifiques de Los Alamos ont réussi à amplifier la lumière avec des dispositifs à commande électrique basés sur des nanocristaux semi-conducteurs coulés en solution – de minuscules spécifications de matière semi-conductrice fabriquées par synthèse chimique et souvent appelées points quantiques colloïdaux.

Cette démonstration, rapportée dans le journal Natureouvre la porte à une toute nouvelle classe de dispositifs laser à pompage électrique – des diodes laser hautement flexibles pouvant être traitées en solution qui peuvent être préparées sur n’importe quel substrat cristallin ou non cristallin sans avoir besoin de techniques de croissance sous vide sophistiquées ou d’un nettoyage hautement contrôlé -environnement de la chambre.

« Les capacités d’amplification de la lumière avec des points quantiques colloïdaux électriques ont émergé de décennies de nos recherches antérieures sur les synthèses de nanocristaux, leurs propriétés photophysiques et la conception optique et électrique des dispositifs à points quantiques », a déclaré Victor Klimov, chercheur au laboratoire et chef du initiative de recherche sur les points quantiques.

« Nos nouveaux points quantiques » à gradation de composition « présentent de longues durées de vie de gain optique, des coefficients de gain élevés et des seuils d’émission laser faibles, des propriétés qui en font un matériau d’émission laser parfait. Les approches développées pour obtenir une amplification de la lumière électrique avec des nanocristaux coulés en solution pourraient aider à résoudre un défi de longue date consistant à intégrer des circuits photoniques et électroniques sur la même puce de silicium et est sur le point de faire progresser de nombreux autres domaines allant de l’éclairage et des écrans à l’information quantique, aux diagnostics médicaux et à la détection chimique. »

Plus de deux décennies de recherche

La recherche sur plus de deux décennies a cherché à obtenir un laser à points quantiques colloïdaux avec pompage électrique, une condition préalable à son utilisation généralisée dans les technologies pratiques. Les diodes laser traditionnelles, omniprésentes dans les technologies modernes, produisent une lumière cohérente hautement monochromatique sous excitation électrique. Mais ils ont des lacunes : des défis d’évolutivité, des lacunes dans la gamme de longueurs d’onde accessibles et, surtout, une incompatibilité avec les technologies du silicium qui limite leur utilisation en microélectronique. Ces problèmes ont stimulé la recherche d’alternatives dans le domaine des matériaux hautement flexibles et facilement évolutifs pouvant être transformés en solutions.

Les points quantiques colloïdaux préparés chimiquement sont particulièrement intéressants pour la mise en œuvre de diodes laser pouvant être traitées en solution. En plus d’être compatibles avec des techniques chimiques peu coûteuses et facilement évolutives, ils offrent les avantages d’une longueur d’onde d’émission réglable en taille, de faibles seuils de gain optique et d’une stabilité à haute température des caractéristiques laser.

Cependant, de multiples défis ont entravé le développement de la technologie, notamment la recombinaison Auger rapide d’états multiporteurs à gain actif, la faible stabilité des films de nanocristaux à des densités de courant élevées requises pour le laser et la difficulté d’obtenir un gain optique net dans un dispositif électrique complexe dans lequel un une fine couche de nanocristaux électroluminescents est associée à diverses couches conductrices de charge à perte optique qui ont tendance à absorber la lumière émise par les nanocristaux.

Solutions pour les défis des diodes laser à points quantiques colloïdaux

Un certain nombre de défis techniques devaient être résolus pour réaliser le laser à points quantiques colloïdaux à commande électrique. Les points quantiques n’ont pas seulement besoin d’émettre de la lumière, ils doivent multiplier les photons générés via une émission stimulée. Cet effet peut être transformé en oscillations laser, ou laser, en combinant les points quantiques avec un résonateur optique qui ferait circuler la lumière émise à travers le milieu de gain. Résolvez cela, et vous avez un laser à points quantiques à commande électrique.

Dans les points quantiques, l’émission stimulée entre en compétition avec la recombinaison Auger non radiative très rapide, le principal obstacle au laser dans ces matériaux. L’équipe de Los Alamos a développé une approche très efficace pour supprimer la désintégration Auger non radiative en introduisant des gradients de composition soigneusement conçus à l’intérieur du point quantique.

Des densités de courant très élevées sont également nécessaires pour atteindre le régime laser. Ce courant, cependant, peut condamner un appareil.

« Une diode électroluminescente à points quantiques typique fonctionne à des densités de courant qui ne dépassent pas environ 1 ampère par centimètre carré », a déclaré Namyoung Ahn, boursier postdoctoral du directeur de Los Alamos et expert principal en conception de dispositifs pour le projet. « Cependant, la réalisation du laser nécessite des dizaines à des centaines d’ampères par centimètre carré, ce qui entraînerait normalement une panne de l’appareil due à une surchauffe. Cela a été un problème clé entravant la réalisation du laser avec pompage électrique. »

Pour résoudre le problème de surchauffe, l’équipe a confiné le courant électrique dans des domaines spatiaux et temporels, réduisant finalement la quantité de chaleur générée et améliorant simultanément l’échange de chaleur avec un milieu environnant. Pour mettre en œuvre ces idées, les chercheurs ont incorporé une couche intermédiaire isolante avec une petite ouverture focalisant le courant dans une pile de dispositifs et ont utilisé de courtes impulsions électriques (d’une durée d’environ 1 microseconde) pour piloter les LED.

Les dispositifs développés ont pu atteindre des densités de courant sans précédent allant jusqu’à environ 2 000 ampères par centimètre carré, suffisantes pour générer un fort gain optique à large bande couvrant plusieurs transitions optiques de points quantiques.

« Un autre défi consiste à atteindre un équilibre favorable entre le gain optique et les pertes optiques dans un empilement complet de dispositifs à LED contenant diverses couches conductrices de charge pouvant présenter une forte absorption de la lumière », a déclaré Clément Livache, chercheur postdoctoral au Laboratoire, qui a coordonné le volet spectroscopique de ce projet. . « Pour résoudre ce problème, nous avons ajouté un empilement de bicouches diélectriques, formant un réflecteur de Bragg dit distribué. »

En utilisant un réflecteur de Bragg comme substrat sous-jacent, les chercheurs ont pu contrôler une distribution spatiale d’un champ électrique à travers l’appareil et le façonner de manière à réduire l’intensité du champ dans les couches conductrices de charge à perte optique et à améliorer le champ dans le point quantique gain moyen.

Avec ces innovations, l’équipe a démontré un effet recherché par la communauté de la recherche depuis des décennies : l’émission spontanée amplifiée lumineuse (ASE) réalisée avec des points quantiques colloïdaux pompés électriquement. Dans le processus ASE, les « photons germes » produits par émission spontanée lancent une « avalanche de photons » entraînée par l’émission stimulée des points quantiques excités. Cela augmente l’intensité de la lumière émise, augmente sa directionnalité et améliore la cohérence. L’ASE peut être considéré comme un précurseur du laser, l’effet qui apparaît lorsqu’un support capable d’ASE est combiné avec un résonateur optique.

Les LED à points quantiques de type ASE représentent une utilité pratique considérable en tant que sources de lumière à bande étroite hautement directionnelle pour les applications dans les produits de consommation (par exemple, les écrans et les projecteurs), la métrologie, l’imagerie et l’instrumentation scientifique. Des opportunités intéressantes sont également associées à l’utilisation prospective de ces structures dans l’électronique et la photonique, traditionnelles et quantiques, où elles peuvent aider à réaliser des amplificateurs optiques sur puce spectralement accordables intégrés à divers types d’interconnexions optiques et de structures photoniques.

Et après?

Actuellement, l’équipe travaille sur la réalisation d’oscillations laser avec des points quantiques pompés électriquement. Dans une approche, ils incorporent dans les dispositifs ce que l’on appelle un « réseau de rétroaction distribué », une structure périodique qui agit comme un résonateur optique faisant circuler la lumière dans le milieu de points quantiques. L’équipe vise également à étendre la couverture spectrale de leurs appareils, en mettant l’accent sur la démonstration de l’amplification de la lumière électrique dans la gamme des longueurs d’onde infrarouges.

Les dispositifs infrarouges à gain optique pouvant être traités en solution pourraient être d’une grande utilité dans les technologies du silicium, les communications, l’imagerie et la détection.