胶体量子点激光器最近研究进展
2021-09-11 10:34:39   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

潜力无限的胶体量子点激光器

据麦姆斯咨询报道，位于美国北卡罗来纳州的洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory，英文简称：LANL）的科学家评估了胶体量子点激光器的研究现状和发展前景。该项研究发表在Nature Photonics上，分析了开发电激发激光器的挑战，并提出了克服这些挑战的方法。

量子点的电子能态和量子点介质的光学增益原理

“胶体量子点激光器在一系列应用中具有巨大的潜力，包括集成光学电路、可穿戴技术、芯片上实验室（lab-on-a-chip）以及先进医学成像和诊断。”LANL化学部门高级研究员、论文主要作者Victor Klimov评论道。

半导体激光器（或激光二极管）是许多普通消费产品以及用于电信、科学研究、医学和太空探索设备的关键元器件，通常采用超薄半导体薄膜或量子阱结构，在真空环境下通过原子沉积方法逐层生长而成。

这种生长方法不仅需要精确控制材料性能，对环境洁净度要求也很高。此外，仅有少数能相互兼容的材料可作为激光介质和底部基板。LANL指出，具体来说，兼容性问题使现有半导体激光器与标准硅基微电子器件的集成变得极为复杂。

Klimov说：“原则上，上述问题可以通过成本较低的解决方案实现的激光发射器来解决。特别是，一种替代标准量子阱的有吸引力的方案是通过台式胶体化学制备半导体粒子。”

在标准湿法化学实验室里，使用廉价、已有的前体批量合成胶体量子点。此外，还几乎可以与任何基板结合，解决了硅基微电子器件的兼容性问题，开辟出传统激光二极管无法打开的新应用领域。

胶体纳米晶体的独特量子性质也具有额外的优势。特别是其尺寸超小，很方便通过调整纳米晶体尺寸调整发射波长，使得激光二极管具有超宽范围的波长。

Klimov说：“尽管潜在优势很多，胶体量子点是难度很高的激光材料。90年代初开始，有可用的优质纳米晶体。但直到2000年左右，当LANL团队首次证明了用硒化镉纳米晶体证实了光放大效果，他们不再采用以前的方法。”

LANL的研究人员利用了密集的量子点固体提高受激发射速度，足以超过俄歇衰变。此外，在量子点发生衰变之前，他们利用非常短（约100 fs）脉冲，用双激子填充量子点。这种方法产生了一个期待已久的结果：实现放大自发辐射，证明了胶体量子点激光的原理。

基于cg量子点的三态光学增益模型及增益介质

俄歇复合仍然是实现技术上可行的量子点激光器的主要问题。另一个严峻的挑战是开发出维持激光所需的每平方厘米数百安培的超高电流密度的实用器件。

颗粒量子点固体的电荷传输特性差，溶液处理电荷传输层的电阻大，使这种结构的实现变得十分复杂。因此，器件在高电流密度下会迅速发热，最终引发热击穿失效。

为了解决热损伤问题，LANL开发了一种新的器件架构，将电流限制在50~300微米的小区域。这种“电流聚焦”方法可提高电流密度，同时降低产生热量，并改善与环境的热交换。

使用高电流密度量子点LED的光学增益

另一个挑战是采用光学谐振器以免干扰电荷注入电路，同时，尽管存在“光学损失”电荷传输层，仍保持激光。这个问题最近也得到了LANL研究人员的解决。

该团队应用了一种有趣的方法，光学谐振器被制备为刻蚀在电子注入层中的周期光栅。通过这种方式，他们保留了发光二极管的标准结构，但赋予其激光器的额外功能。开发的双功能结构可作为电子泵浦的标准LED和光学激发激光器工作。

最后一步是将所有方法整合到一颗能够在电激励下产生激光的器件中。鉴于超高电流密度结构的最新进展和成功的腔体集成工艺菜单开发，这一目标触手可及，胶体量子点激光二极管可能很快成为现实。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-021-00827-6

延伸阅读：

《量子点材料和技术-2019版》

《激光二极管和直接二极管激光器-2019版》