在《自然》杂志的一篇文章中，洛斯阿拉莫斯国家实验室团队实现了长期以来寻求的半导体纳米晶体光放大器件的能力。
经过几十年的制造，洛斯阿拉莫斯的科学家们已经用基于溶液浇铸半导体纳米晶体的电驱动设备实现了光放大。溶液浇铸半导体纳米粒子是通过化学合成制成的微小规格的半导体物质，通常被称为胶体量子点。这一演示发表在科学杂志《自然》上，为一类全新的电泵浦激光设备打开了大门——高度柔性、可溶液处理的激光二极管，可以在任何晶体或非晶体衬底上制备，而不需要复杂的基于真空的生长技术或高度控制的洁净室环境。
实验室研究员、量子点研究计划负责人Victor Klimov表示：“几十年来，我们对纳米晶体的合成、它们的光物理性质以及量子点器件的光学和电学设计进行了研究，从而形成了用电驱动胶体量子点实现光放大的能力。我们的新型‘成分分级’量子点具有长的光学增益寿命、大的增益系数和低的激光阈值，这些特性使它们成为一种完美的激光材料。利用溶液浇铸纳米晶体实现电驱动光放大的开发方法可能有助于解决集成光子和电子电路的长期挑战在同一块硅芯片上，它有望推动从照明和显示器到量子信息、医学诊断和化学传感等许多其他领域的发展。”
二十多年的研究二十多年来的研究一直在寻求通过电泵浦实现胶体量子点激光，这是其在实际技术中广泛应用的先决条件。现代技术中普遍存在的传统激光二极管在电激励下产生高度单色的相干光。但它们也有不足之处：可扩展性方面的挑战，可访问波长范围上的差距，重要的是与硅技术的不兼容，限制了它们在微电子中的应用。这些问题促使人们在高度灵活和易于扩展的可解决方案加工材料领域寻找替代品。
化学制备的胶体量子点对于实现溶液可加工激光二极管特别有吸引力。除了与廉价且易于扩展的化学技术兼容外，它们还具有尺寸可调的发射波长、低光学增益阈值和激光特性的高温稳定性等优点。
然而，多重挑战阻碍了该技术的发展，包括增益活性多载波态的快速俄歇复合、纳米晶体膜在激光发射所需的高电流密度下的较差稳定性，以及在复杂的电驱动器件中获得净光学增益的困难，其中薄电致发光纳米晶体层与倾向于吸收纳米晶体发射的光的各种光学损耗、电荷传导层相结合。
胶体量子点激光二极管挑战的解决方案实现电驱动胶体量子点激光发射需要解决许多技术挑战。量子点不仅需要发光，还需要通过受激发射来倍增产生的光子。通过将量子点与光学谐振器相结合，使发射的光在增益介质中循环，这种效应可以转化为激光振荡或激光。解决这个问题，你就有了电驱动的量子点激光。
在量子点中，受激发射与非常快的非辐射俄歇复合竞争，这是这些材料中激光发射的主要障碍。洛斯阿拉莫斯团队开发了一种高效的方法，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。
为了获得激光状态，还需要非常高的电流密度。然而，这股电流可能会毁掉一台设备。
洛斯阿拉莫斯主任博士后研究员、该项目的首席器件设计专家Namyoung Ahn说：“典型的量子点发光二极管的电流密度不超过每平方厘米1安培。然而，实现激光发射需要每平方厘米几十到数百安培，这通常会导致设备过热而击穿。这一直是阻碍实现电泵浦激光发射的一个关键问题。”
为了解决过热问题，该团队将电流限制在空间和时间域，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，研究人员在器件堆叠中加入了一个带有小电流聚焦孔径的绝缘夹层，并使用短电脉冲（约1微秒持续时间）来驱动LED。
所开发的器件能够达到前所未有的高达每平方厘米约2000安培的电流密度，足以产生跨越多个量子点光学跃迁的强大宽带光学增益。
实验室博士后研究员Clément Livache说：“另一个挑战是在一个完整的LED器件堆叠中实现光学增益和光学损耗之间的有利平衡，该堆叠包含可以表现出强光吸收的各种电荷传导层。为了解决这个问题，我们添加了一堆电介质双层，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，研究人员能够控制器件上电场的空间分布并对其进行整形，以降低光学损耗电荷导电层中的场强，并增强量子点增益介质中的场。
通过这些创新，该团队展示了研究界几十年来一直追求的效果：用电泵浦的胶体量子点实现了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发射驱动下发射“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可以被认为是激光发射的前兆，当具有ASE能力的介质与光学谐振器相结合时，就会产生这种效果。
ASE型量子点LED作为高方向窄带光源在消费品（例如显示器和投影仪）、计量、成像和科学仪器中的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有趣的机会，它们可以帮助实现与各种类型的光学互连和光子结构集成的光谱可调谐片上光学放大器。
下一步计划目前，该团队正致力于用电泵量子点实现激光振荡。在一种方法中，他们在设备中加入了所谓的“分布式反馈光栅”，这是一种周期性结构，充当在量子点介质中循环光的光学谐振器。该团队还旨在扩大其设备的光谱覆盖范围，重点展示红外波长范围内的电驱动光放大。
该研究于5月3日发表在《自然》杂志。
DOI：10.1038/s41586-023-05855-6
