Наконец-то достигнуто усиление света за счет стимулированного излучения коллоидных квантовых точек с электрическим приводом
В результате за десятилетия работы ученые из Лос-Аламоса добились усиления света с помощью устройств с электрическим приводом на основе отлитых из раствора полупроводниковых нанокристаллов — крошечных частиц полупроводникового вещества, полученных с помощью химического синтеза и часто называемых коллоидными квантовыми точками.
Оптические и электролюминесцентные свойства ccg-КТ.
Кредит: Природа (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05855-6
Эта демонстрация, о которой сообщается в журнале Nature, открывает дверь к совершенно новому классу лазерных устройств с электрической накачкой — очень гибких лазерных диодов, пригодных для обработки в растворе, которые могут быть изготовлены на любой кристаллической или некристаллической подложке без необходимости в сложном вакууме на основе методов выращивания или в строго контролируемой среде чистых помещений.
«Возможности усиления света с помощью коллоидных квантовых точек с электрическим приводом появились благодаря десятилетиям наших предыдущих исследований в области синтеза нанокристаллов, их фотофизических свойств, а также оптических и электрических конструкций устройств с квантовыми точками», — сказал Виктор Климов, научный сотрудник лаборатории и руководитель научного центра по исследованию квантовых точек.
«Наши новые «градуированные по составу» квантовые точки демонстрируют длительное время жизни оптического усиления, большие коэффициенты усиления и низкие пороги генерации — свойства, которые делают их идеальным материалом для генерации. Разработанные подходы для достижения электрического усиления света с помощью нанокристаллов, отлитых из раствора, могут помочь решить давняя задача интеграции фотонных и электронных схем на одном кремниевом чипе и готова продвинуться во многих других областях, от освещения и дисплеев до квантовой информации, медицинской диагностики и химических датчиков».
Более двух десятилетий исследований
Исследования, проводимые более двух десятилетий, были направлены на создание генерации на коллоидных квантовых точках с электрической накачкой, что является необходимым условием для его широкого использования в практических технологиях. Традиционные лазерные диоды, повсеместно используемые в современных технологиях, излучают монохроматический когерентный свет при электрическом возбуждении. Но у них есть недостатки: проблемы с масштабируемостью, пробелы в диапазоне доступных длин волн и, что немаловажно, несовместимость с кремниевыми технологиями, что ограничивает их использование в микроэлектронике. Эти проблемы стимулировали поиск альтернатив в области очень гибких и легко масштабируемых материалов, пригодных для решения.
Химически приготовленные коллоидные квантовые точки особенно привлекательны для реализации лазерных диодов, обрабатываемых раствором. Помимо совместимости с недорогими и легко масштабируемыми химическими методами, они обладают преимуществами регулируемой длины волны излучения, низких порогов оптического усиления и высокотемпературной стабильности характеристик генерации.
Однако развитию технологии препятствовали многочисленные проблемы, в том числе быстрая оже-рекомбинация активных по усилению состояний с несколькими носителями, плохая стабильность нанокристаллических пленок при высоких плотностях тока, необходимых для генерации, и сложность получения чистого оптического усиления в сложном устройстве с электрическим приводом, в котором тонкий электролюминесцентный слой нанокристаллов сочетается с различными проводящими заряд слоями с оптическими потерями, которые имеют тенденцию поглощать свет, излучаемый нанокристаллами.
Решения проблем с коллоидными лазерными диодами на квантовых точках
Для реализации генерации на коллоидных квантовых точках с электрическим приводом необходимо было решить ряд технических проблем. Квантовые точки должны не только излучать свет, они должны умножать генерируемые фотоны посредством вынужденного излучения. Этот эффект можно превратить в лазерные колебания или генерацию путем объединения квантовых точек с оптическим резонатором, который будет распространять излучаемый свет через усиливающую среду. Решите это, и вы получите электрически управляемый лазер на квантовых точках.
В квантовых точках стимулированное излучение конкурирует с очень быстрой безызлучательной оже-рекомбинацией, основным препятствием для генерации в этих материалах. Команда из Лос-Аламоса разработала высокоэффективный подход к подавлению безызлучательного оже-распада путем введения тщательно спроектированных композиционных градиентов внутрь квантовой точки.
Для достижения режима генерации требуются также очень высокие плотности тока. Однако этот ток может обречь устройство.
«Типичный светоизлучающий диод с квантовыми точками работает при плотности тока, не превышающей примерно 1 ампер на квадратный сантиметр», — сказал Намьюнг Ан, постдокторский научный сотрудник директора Лос-Аламоса и ведущий эксперт по проектированию устройств. «Однако для реализации генерации требуется от десятков до сотен ампер на квадратный сантиметр, что обычно приводит к поломке устройства из-за перегрева. Это было ключевой проблемой, препятствующей реализации генерации с электрической накачкой».
Чтобы решить проблему перегрева, команда ограничила электрический ток в пространственной и временной областях, в конечном итоге уменьшив количество генерируемого тепла и одновременно улучшив теплообмен с окружающей средой. Чтобы реализовать эти идеи, исследователи включили изолирующий промежуточный слой с небольшой апертурой для фокусировки тока в стек устройств и использовали короткие электрические импульсы (длительностью около 1 микросекунды) для управления светодиодами.
Разработанные устройства смогли достичь беспрецедентной плотности тока примерно до 2000 ампер на квадратный сантиметр, что достаточно для создания сильного широкополосного оптического усиления, охватывающего несколько оптических переходов квантовых точек.
«Еще одна задача состоит в том, чтобы достичь благоприятного баланса между оптическим усилением и оптическими потерями в полном стеке светодиодных устройств, содержащем различные проводящие заряд слои, которые могут демонстрировать сильное поглощение света», — сказал научный сотрудник лаборатории Клеман Ливаш, который координировал спектроскопический компонент этого проекта. . «Чтобы решить эту проблему, мы добавили стопку двухслойных диэлектриков, образующих так называемый распределенный брэгговский отражатель».
Используя брэгговский отражатель в качестве подложки, исследователи смогли контролировать пространственное распределение электрического поля в устройстве и формировать его таким образом, чтобы уменьшить напряженность поля в проводящих слоях с оптическими потерями заряда и усилить поле в квантовых точках.
С помощью этих нововведений команда продемонстрировала эффект, к которому исследовательское сообщество стремилось десятилетиями: яркое усиленное спонтанное излучение (ASE), реализованное с помощью коллоидных квантовых точек с электрической накачкой. В процессе ASE «затравочные фотоны», создаваемые спонтанным излучением, запускают «фотонную лавину», управляемую вынужденным излучением возбужденных квантовых точек. Это повышает интенсивность излучаемого света, увеличивает его направленность и улучшает когерентность. ASE можно рассматривать как предшественник генерации, эффект, который возникает, когда среда, способная ASE, сочетается с оптическим резонатором.
Светодиоды с квантовыми точками типа ASE представляют значительную практическую ценность в качестве источников остронаправленного узкополосного света для приложений в потребительских товарах (например, дисплеях и проекторах), метрологии, визуализации и научных приборах. Интересные возможности связаны также с перспективным использованием этих структур в электронике и фотонике, традиционной и квантовой, где с их помощью можно реализовать спектрально перестраиваемые внутрикристальные оптические усилители, интегрированные с различными типами оптических межсоединений и фотонных структур.
Что дальше?
В настоящее время команда работает над реализацией лазерных колебаний с помощью квантовых точек с электрической накачкой. В одном подходе они включают в устройства так называемую «решетку с распределенной обратной связью», периодическую структуру, которая действует как оптический резонатор, распространяющий свет в среде с квантовыми точками. Команда также стремится расширить спектральный охват своих устройств, сосредоточив внимание на демонстрации электрического усиления света в диапазоне инфракрасных длин волн.
Инфракрасные устройства с оптическим усилением, пригодные для обработки в растворах, могут быть очень полезны в кремниевых технологиях, связи, визуализации и сенсорах.
