科學家成功實現(xiàn)電驅(qū)動膠體量子點激光光放大

近日，來自美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）的一支科學家團隊宣布，他們成功地用基于溶液鑄造半導(dǎo)體納米晶體（又稱“膠體量子點”）的電驅(qū)動裝置實現(xiàn)了光放大。《自然》雜志評價稱，這一演示為一種全新的電泵浦激光設(shè)備打開了大門——高度靈活、溶液可加工的激光二極管，從此可以在任何晶體或非晶體基片上制備，而不需要復(fù)雜的真空生長技術(shù)或高度控制的潔凈室環(huán)境。

實驗室研究員、量子點研究計劃的負責人Victor Klimov表示，LANL實驗室在此前幾十年對納米晶體合成、其光物理性質(zhì)以及量子點器件的光學和電學設(shè)計的研究中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了通過電驅(qū)動膠體量子點實現(xiàn)光放大的能力。

該實驗室合成的新型“成分梯度”量子點表現(xiàn)出了長光學增益壽命、大增益系數(shù)和低激光閾值等多種特性，而這些特性使它們成為了完美的激光材料。

他表示，利用溶液鑄造納米晶體實現(xiàn)電驅(qū)動光放大的方法，可能有助于解決在同一硅芯片上集成光子和電子電路的長期挑戰(zhàn)，并有望推進許多其他領(lǐng)域的應(yīng)用——從照明和顯示到量子信息、醫(yī)療診斷和化學傳感。

二十多年的研究結(jié)晶

二十多年來，研究人員一直在尋求通過電泵浦實現(xiàn)膠體量子點激光，而這也是其在實際技術(shù)中廣泛應(yīng)用的先決條件。

傳統(tǒng)的激光二極管在電激發(fā)下產(chǎn)生高度單色的相干光，在現(xiàn)代技術(shù)中無處不在。但它們也有不足之處：可擴展性方面的挑戰(zhàn)，可搭載波長范圍的差距，以及與硅技術(shù)的不兼容性，這些都限制了它們在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用。這些問題促使人們在高度靈活和易于擴展的解決方案領(lǐng)域?qū)ふ姨娲贰杉庸げ牧稀?/p>

化學制備的膠體量子點，對于打造出可溶液加工的激光二極管而言特別有吸引力。除了與廉價且易于擴展的化學技術(shù)兼容外，它們還具有可調(diào)諧的發(fā)射波長、低光學增益閾值和激光特性的高溫穩(wěn)定性等優(yōu)點。

然而，多種挑戰(zhàn)阻礙了該技術(shù)的發(fā)展，包括：1）增益有源多載流子態(tài)的快速俄歇復(fù)合；2）激光所需的高電流密度下納米晶體膜的穩(wěn)定性差；3）在復(fù)雜的電驅(qū)動器件中難以獲得凈光學增益——其中薄的電致發(fā)光納米晶體層與各種光學損耗的電荷導(dǎo)電層相結(jié)合，這些層傾向于吸收納米晶體發(fā)出的光。

膠體量子點激光方案突破

實現(xiàn)電驅(qū)動膠體量子點激光需要解決許多技術(shù)難題。量子點不僅需要發(fā)光，還需要通過受激發(fā)射使產(chǎn)生的光子倍增。通過將量子點與光學諧振器相結(jié)合，使發(fā)射的光通過增益介質(zhì)循環(huán)，這種效應(yīng)可以轉(zhuǎn)化為激光振蕩或激光。如果解決了，就可以實現(xiàn)電驅(qū)動量子點激光。

在量子點中，受激發(fā)射與非?？斓姆禽椛涠硇獜?fù)合對抗，是這些材料中激光的主要障礙。為了克服這些障礙，洛斯阿拉莫斯實驗室團隊開發(fā)了一種非常有效的方法，通過在量子點內(nèi)部引入精心設(shè)計的成分梯度來抑制非輻射俄歇衰變。

實現(xiàn)穩(wěn)定的激光輸出狀態(tài)，需要非常高的電流密度（幾十至幾百安培／每平方厘米）。然而，這種電流通常會導(dǎo)致設(shè)備因過熱而故障甚至報廢。這也一直是阻礙電轉(zhuǎn)激光實現(xiàn)的關(guān)鍵問題。

為了解決過熱問題，該團隊將電流限制在空間和時間域中，最終減少了產(chǎn)生的熱量，同時改善了與周圍介質(zhì)的熱交換。為了實現(xiàn)這些想法，研究人員在器件堆棧中加入了一個帶有小電流聚焦孔徑的絕緣中間層，并使用短電脈沖（持續(xù)時間約為1微秒）來驅(qū)動LED。

結(jié)果顯示，他們開發(fā)的器件能夠達到前所未有的電流密度，高達約2000安培／平方厘米，足以在多個量子點光學躍遷之間產(chǎn)生強大的寬帶光學增益。

實驗室博士后研究員Clément Livache表示：“更深層的挑戰(zhàn)，則是在包含各種電荷導(dǎo)電層的完整LED器件堆疊中實現(xiàn)光學增益和光學損耗之間的有利平衡，這些層可以表現(xiàn)出強烈的光吸收。為了解決這個問題，我們增加了一堆介電雙層，形成了所謂的分布式布拉格反射器。”

使用布拉格反射器作為底層襯底，研究人員能夠控制電場在設(shè)備上的空間分布，并對其進行塑造，從而降低光學損耗電荷導(dǎo)電層中的場強度，并增強量子點增益介質(zhì)中的場強度。

通過這些創(chuàng)新，該團隊展示了研究界幾十年來所追求的效果：用電泵浦膠體量子點實現(xiàn)明亮的放大自發(fā)發(fā)射（ASE）。在ASE過程中，自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的“種子光子”在受激量子點的受激輻射驅(qū)動下發(fā)射出“光子雪崩”。這提高了發(fā)射光的強度，增加了其方向性并增強了相干性。

ASE型量子點LED作為高定向窄帶光源，在消費產(chǎn)品（例如顯示器和投影儀）、計量、成像和科學儀器中應(yīng)用，具有相當大的實用性。這些結(jié)構(gòu)在電子和光子學、傳統(tǒng)和量子領(lǐng)域的潛在應(yīng)用也帶來了眾多的機會，它們可以幫助實現(xiàn)與各種類型的光互連和光子結(jié)構(gòu)集成的光譜可調(diào)諧片上光放大器。

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審核編輯 ：李倩