胶体量子点激光二极管即将问世

Los Alamos的科学家们已经将经过精心设计的胶体量子点纳入一种新型发光二极管(LEDs)中，这种二极管包含一个集成的光学谐振器，可以像激光一样工作。这些新颖的双功能器件为多功能、便于制造的激光二极管开辟了道路。这项技术可能会给许多领域带来革命性的变化，从光子学和光电子学到化学传感和医学诊断。
       Los Alamos国家实验室量子点组的负责人Victor Klimov说：“这一最新的突破以及研究人员们在量子点化学和设备工程方面取得的其他最新进展，表明从溶液中组装的激光二极管可能很快就会成为现实。量子点显示器和电视机已经可以作为商业产品使用。胶体量子点激光器似乎是下一个目标。”
       胶体量子点激光器可以用比现代半导体激光二极管更便宜、更简单的方法制造，现代半导体激光二极管需要复杂、基于真空、逐层沉积技术。这种激光器可以在不那么具有挑战性的实验室和工厂条件下生产，并可能产生有利于许多新兴领域的设备，包括集成光子电路、光学电路、芯片上的实验室平台和可穿戴设备。
       在过去的二十年里，Los Alamos量子点团队一直致力于基于胶体化学制备的半导体纳米晶体激光器件的基础和应用方面的研究。这些粒子被称为胶体量子点，可以很容易地从它们的自然溶液环境中加工出来，制造出各种光学、电子和光电子器件。此外，它们可以“调整大小”，用于激光应用以产生现有半导体激光二极管无法获得的颜色。
       在《Nature Communications》杂志上发表的一篇论文中，Los Alamos实验室的研究人员成功地解决了胶体量子点技术商业化道路上的几个挑战。他们特别展示了一个可操作的LED，它也可以作为一个光学泵浦的低阈值激光。为了实现这些功能，他们将一个光学谐振器直接集成到LED架构中，而不阻碍电荷载流子流向量子点发射层。此外，通过仔细设计他们的多层器件的结构，他们可以实现将发射光良好的限制在超薄量子点介质的50纳米量级。这是获得激光效应的关键，同时允许有效的激发量子点的电流。这个成功演示的最后一个独特要素是根据Los Alamos团队多年来对这些纳米结构的化学和物理研究开发的配方将自制的量子点用于激光应用。
       目前，Los Alamos实验室的科学家们正在解决剩下的挑战，即把电流密度提高到足以获得所谓的“粒子数反转”的水平，即量子点活性介质转变为光放大器的状态。

图（a）QLD结构，它包括一个PIN多层QD-LED组装在一个DFB腔的顶部集成到一个底部L-ITO电极。