二合一：量子點(diǎn)的突破同時(shí)結(jié)合了激光和LED的能力

洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員在利用膠體量子點(diǎn)技術(shù)開發(fā)高強(qiáng)度光發(fā)射器方面取得了重大進(jìn)展，創(chuàng)造了具有前所未有的亮度水平的雙功能設(shè)備。這一突破可能會(huì)影響各個(gè)領(lǐng)域，包括集成電子學(xué)、光子學(xué)和醫(yī)療診斷，并使功能性量子點(diǎn)激光二極管更接近現(xiàn)實(shí)。

洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)克服了在技術(shù)上可行的基于膠體量子點(diǎn)技術(shù)的高強(qiáng)度光發(fā)射器的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，產(chǎn)生了既能作為光學(xué)激勵(lì)激光器又能作為高亮度電驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)工作的雙功能器件。

正如《先進(jìn)材料》雜志所描述的那樣，這一進(jìn)展代表了邁向電泵送膠體量子點(diǎn)激光器或激光二極管的一個(gè)關(guān)鍵里程碑，這種新型設(shè)備的影響將跨越眾多技術(shù)，包括集成電子和光子學(xué)、光學(xué)互連、片上實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療診斷。

"對(duì)膠體量子點(diǎn)激光二極管的探索代表了世界范圍內(nèi)旨在實(shí)現(xiàn)基于溶液加工材料的電泵浦激光器和放大器的努力的一部分，"洛斯阿拉莫斯化學(xué)部門的科學(xué)家和該研究的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人維克多-克里莫夫說(shuō)。"這些設(shè)備因其與幾乎任何基底的兼容性、可擴(kuò)展性和與片上電子和光子學(xué)(包括傳統(tǒng)的硅基電路)的易于集成而被有著急迫的需求。"

與標(biāo)準(zhǔn)的LED一樣，在該團(tuán)隊(duì)的新設(shè)備中，量子點(diǎn)層充當(dāng)了一個(gè)電驅(qū)動(dòng)的光發(fā)射器。然而，由于每平方厘米超過(guò)500安培的極高電流密度，這些器件表現(xiàn)出前所未有的亮度，每平方米超過(guò)100萬(wàn)坎德拉(坎德拉衡量在特定方向發(fā)射的光功率)。這種亮度使它們非常適合于日光顯示器、投影儀和交通燈等應(yīng)用。

量子點(diǎn)層還表現(xiàn)為一個(gè)高效的波導(dǎo)放大器，具有較大的凈光學(xué)增益。洛斯阿拉莫斯團(tuán)隊(duì)用一個(gè)包含所有電荷傳輸層和電泵所需其他元素的全功能LED型設(shè)備堆棧實(shí)現(xiàn)了窄帶發(fā)光。這一進(jìn)展為備受期待的電泵送發(fā)光演示打開了大門，這一效果將使膠體量子點(diǎn)發(fā)光技術(shù)得以全面實(shí)現(xiàn)。

膠體量子點(diǎn)

半導(dǎo)體納米晶體--或膠體量子點(diǎn)--是實(shí)現(xiàn)包括激光二極管在內(nèi)的照明設(shè)備的有吸引力的材料。它們可以通過(guò)中等溫度的化學(xué)技術(shù)以原子級(jí)精度制備。

此外，由于它們的尺寸很小，與電子波函數(shù)的自然范圍相當(dāng)，量子點(diǎn)表現(xiàn)出離散的類似原子的電子狀態(tài)，其能量直接取決于顆粒大小。這種所謂的"量子尺寸"效應(yīng)的結(jié)果可以被利用來(lái)將發(fā)光線調(diào)到所需的波長(zhǎng)，或設(shè)計(jì)一個(gè)支持多波長(zhǎng)發(fā)光的多色增益介質(zhì)。從量子點(diǎn)電子狀態(tài)的特殊原子狀光譜衍生出的其他優(yōu)勢(shì)包括低光學(xué)增益閾值和抑制發(fā)光特性對(duì)器件溫度變化的敏感性。

解決電泵挑戰(zhàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

大多數(shù)量子點(diǎn)發(fā)光研究都采用了短光脈沖來(lái)激發(fā)光學(xué)增益介質(zhì)。用電驅(qū)動(dòng)量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)發(fā)光是一項(xiàng)更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。通過(guò)他們的新設(shè)備，洛斯阿拉莫斯研究小組向這一目標(biāo)邁出了重要一步。

實(shí)驗(yàn)室主任的博士后和量子點(diǎn)團(tuán)隊(duì)的首席設(shè)備專家Namyoung Ahn說(shuō)："挑戰(zhàn)在于電和光設(shè)備的設(shè)計(jì)領(lǐng)域。特別是該設(shè)備的電荷注入結(jié)構(gòu)必須能夠產(chǎn)生和維持激光作用所需的非常高的電流密度。同一裝置還必須表現(xiàn)出低的光學(xué)損耗，以使得不抑制在薄的量子點(diǎn)活性介質(zhì)中產(chǎn)生的增益。"

為了提高光學(xué)增益，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新的納米晶體，他們稱之為"緊湊成分分級(jí)量子點(diǎn)"。

"這些新型量子點(diǎn)的特點(diǎn)是由于內(nèi)置的成分梯度而抑制了奧格重組，并且當(dāng)組裝在作為光學(xué)增益介質(zhì)的密實(shí)固體中時(shí)，同時(shí)表現(xiàn)出較大的增益系數(shù)，"量子點(diǎn)團(tuán)隊(duì)的博士后Clément Livache說(shuō)，他對(duì)制造的器件進(jìn)行了光譜研究。"這有助于在一個(gè)復(fù)雜的電致發(fā)光結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)凈光學(xué)增益，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，一個(gè)薄的、可放大光的量子點(diǎn)層與多個(gè)吸收光的電荷傳導(dǎo)層相結(jié)合。"

為了促進(jìn)光的放大，研究人員還減少了他們?cè)O(shè)備中的光學(xué)損失。特別是，他們重新設(shè)計(jì)了電荷注入架構(gòu)，去掉了有光學(xué)損耗的金屬類材料，用適當(dāng)優(yōu)化的低吸收率有機(jī)層代替。此外，他們還設(shè)計(jì)了一個(gè)器件的截面輪廓，以減少高吸收性電荷傳輸層中的光場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)增強(qiáng)量子點(diǎn)增益介質(zhì)中的光場(chǎng)強(qiáng)度。

最后，為了實(shí)現(xiàn)激光振蕩，所開發(fā)的器件還補(bǔ)充了一個(gè)光腔，該光腔被制備成一個(gè)周期性的光柵，被集成到器件的一個(gè)電極中。這個(gè)光柵作為一個(gè)所謂的分布式反饋諧振器，允許光在量子點(diǎn)層的橫向平面上循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)多通道放大。

最后的挑戰(zhàn)

科學(xué)家利用光學(xué)激勵(lì)達(dá)到了發(fā)光效果，由于通過(guò)電流產(chǎn)生的過(guò)多熱量導(dǎo)致器件性能下降，因此沒有觀察到使用電泵的發(fā)光效果。這是展示電驅(qū)動(dòng)激光振蕩需要解決的最后一個(gè)挑戰(zhàn)。

就在幾年前，由于超快的奧格衰變、量子點(diǎn)LED的電流密度不足以及在同一設(shè)備中結(jié)合電致發(fā)光和發(fā)光功能的困難等問(wèn)題，電泵送膠體量子點(diǎn)激光器被廣泛認(rèn)為是不可能的。洛斯阿拉莫斯量子點(diǎn)團(tuán)隊(duì)的成果展示了對(duì)大多數(shù)這些問(wèn)題的實(shí)際解決方案，表明功能性量子點(diǎn)激光二極管已近在眼前。