科学家成功实现电驱动胶体量子点激光光放大

近日，来自美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的一支科学家团队宣布，他们成功地用基于溶液铸造半导体纳米晶体（又称“胶体量子点”）的电驱动装置实现了光放大。《自然》杂志评价称，这一演示为一种全新的电泵浦激光设备打开了大门——高度灵活、溶液可加工的激光二极管，从此可以在任何晶体或非晶体基片上制备，而不需要复杂的真空生长技术或高度控制的洁净室环境。

实验室研究员、量子点研究计划的负责人Victor Klimov表示，LANL实验室在此前几十年对纳米晶体合成、其光物理性质以及量子点器件的光学和电学设计的研究中，已经发现了通过电驱动胶体量子点实现光放大的能力。

该实验室合成的新型“成分梯度”量子点表现出了长光学增益寿命、大增益系数和低激光阈值等多种特性，而这些特性使它们成为了完美的激光材料。

他表示，利用溶液铸造纳米晶体实现电驱动光放大的方法，可能有助于解决在同一硅芯片上集成光子和电子电路的长期挑战，并有望推进许多其他领域的应用——从照明和显示到量子信息、医疗诊断和化学传感。

二十多年的研究结晶

二十多年来，研究人员一直在寻求通过电泵浦实现胶体量子点激光，而这也是其在实际技术中广泛应用的先决条件。

传统的激光二极管在电激发下产生高度单色的相干光，在现代技术中无处不在。但它们也有不足之处：可扩展性方面的挑战，可搭载波长范围的差距，以及与硅技术的不兼容性，这些都限制了它们在微电子领域的应用。这些问题促使人们在高度灵活和易于扩展的解决方案领域寻找替代品——可加工材料。

化学制备的胶体量子点，对于打造出可溶液加工的激光二极管而言特别有吸引力。除了与廉价且易于扩展的化学技术兼容外，它们还具有可调谐的发射波长、低光学增益阈值和激光特性的高温稳定性等优点。

然而，多种挑战阻碍了该技术的发展，包括：1）增益有源多载流子态的快速俄歇复合；2）激光所需的高电流密度下纳米晶体膜的稳定性差；3）在复杂的电驱动器件中难以获得净光学增益——其中薄的电致发光纳米晶体层与各种光学损耗的电荷导电层相结合，这些层倾向于吸收纳米晶体发出的光。

胶体量子点激光方案突破

实现电驱动胶体量子点激光需要解决许多技术难题。量子点不仅需要发光，还需要通过受激发射使产生的光子倍增。通过将量子点与光学谐振器相结合，使发射的光通过增益介质循环，这种效应可以转化为激光振荡或激光。如果解决了，就可以实现电驱动量子点激光。

在量子点中，受激发射与非常快的非辐射俄歇复合对抗，是这些材料中激光的主要障碍。为了克服这些障碍，洛斯阿拉莫斯实验室团队开发了一种非常有效的方法，通过在量子点内部引入精心设计的成分梯度来抑制非辐射俄歇衰变。

实现稳定的激光输出状态，需要非常高的电流密度（几十至几百安培／每平方厘米）。然而，这种电流通常会导致设备因过热而故障甚至报废。这也一直是阻碍电转激光实现的关键问题。

为了解决过热问题，该团队将电流限制在空间和时间域中，最终减少了产生的热量，同时改善了与周围介质的热交换。为了实现这些想法，研究人员在器件堆栈中加入了一个带有小电流聚焦孔径的绝缘中间层，并使用短电脉冲（持续时间约为1微秒）来驱动LED。

结果显示，他们开发的器件能够达到前所未有的电流密度，高达约2000安培／平方厘米，足以在多个量子点光学跃迁之间产生强大的宽带光学增益。

实验室博士后研究员Clément Livache表示：“更深层的挑战，则是在包含各种电荷导电层的完整LED器件堆叠中实现光学增益和光学损耗之间的有利平衡，这些层可以表现出强烈的光吸收。为了解决这个问题，我们增加了一堆介电双层，形成了所谓的分布式布拉格反射器。”

使用布拉格反射器作为底层衬底，研究人员能够控制电场在设备上的空间分布，并对其进行塑造，从而降低光学损耗电荷导电层中的场强度，并增强量子点增益介质中的场强度。

通过这些创新，该团队展示了研究界几十年来所追求的效果：用电泵浦胶体量子点实现明亮的放大自发发射（ASE）。在ASE过程中，自发发射产生的“种子光子”在受激量子点的受激辐射驱动下发射出“光子雪崩”。这提高了发射光的强度，增加了其方向性并增强了相干性。

ASE型量子点LED作为高定向窄带光源，在消费产品（例如显示器和投影仪）、计量、成像和科学仪器中应用，具有相当大的实用性。这些结构在电子和光子学、传统和量子领域的潜在应用也带来了众多的机会，它们可以帮助实现与各种类型的光互连和光子结构集成的光谱可调谐片上光放大器。

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审核编辑 ：李倩