工程师开发出基于胶体量子点技术的两用激光和LED装置

艺术家对胶体量子点（彩色六边形）从溶液（一滩液体）中投射到光栅（一组水平线）上，并通过电（闪电般的痕迹）或光学（来自右侧的狭窄白色光束）激发，产生多色输出（光束从中间向左下方扩散）。资料来源：Albin Guyot，创作共用许可证

洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个团队已经克服了在技术上可行的基于胶体量子点技术的高强度光发射器的关键挑战，产生了既能作为光学激励激光器又能作为高亮度电驱动发光二极管（LED）工作的双功能器件。

正如《先进材料》杂志所描述的那样，这一进展代表了迈向电泵送胶体量子点激光器或激光二极管的一个关键里程碑，这种新型设备的影响将跨越众多技术，包括集成电子和光子学、光学互连、片上实验室平台、可穿戴设备和医疗诊断。

"对胶体量子点激光二极管的探索代表了世界范围内旨在实现基于溶液加工材料的电泵浦激光器和放大器的努力的一部分，"洛斯阿拉莫斯化学部门的科学家和该研究的团队负责人维克多-克里莫夫说。"这些设备因其与几乎任何基底的兼容性、可扩展性和与片上电子和光子学（包括传统的硅基电路）的易于集成而被追求。"

与标准的LED一样，在该团队的新设备中，量子点层充当了一个电驱动的光发射器。然而，由于每平方厘米超过500安培的极高电流密度，这些器件表现出前所未有的亮度，每平方米超过100万坎德拉（坎德拉衡量在特定方向发射的光功率）。这种亮度使它们非常适合于日光显示器、投影仪和交通灯等应用。

量子点层还表现为一个高效的波导放大器，具有较大的净光学增益。洛斯阿拉莫斯团队用一个包含所有电荷传输层和电泵所需其他元素的全功能LED型设备堆栈实现了窄带发光。这一进展为备受期待的电泵送发光演示打开了大门，这一效果将使胶体量子点发光技术得以全面实现。

胶体量子点

半导体纳米晶体--或胶体量子点--是实现包括激光二极管在内的照明装置的有吸引力的材料。它们可以通过中等温度的化学技术以原子级精度制备。

此外，由于它们的尺寸很小，与电子波函数的自然范围相当，量子点表现出离散的类似原子的电子状态，其能量直接取决于颗粒大小。这种所谓的 "量子尺寸 "效应的结果可以被利用来将发光线调到所需的波长，或设计一个支持多波长发光的多色增益介质。从量子点电子状态的特殊原子状光谱衍生出的其他优势包括低光学增益阈值和抑制发光特性对设备温度变化的敏感性。

解决电泵送难题的创新设计

大多数量子点发光研究都采用了短光脉冲来激发光学增益介质。用电驱动量子点实现发光是一项更具挑战性的任务。通过他们的新设备，洛斯阿拉莫斯研究小组向这一目标迈出了重要一步。

"实验室主任博士后、量子点团队的首席设备专家Namyoung Ahn说："一个挑战在于电气和光学设备设计领域。"特别是，该设备的电荷注入结构必须能够产生和维持激光作用所需的非常高的电流密度。同一装置还必须表现出低的光学损耗，以便不抑制在薄的量子点活性介质中产生的增益。"

为了提高光学增益，该团队开发了新的纳米晶体，他们称之为 "紧凑成分分级量子点"。

"这些新型量子点的特点是由于内置的成分梯度而抑制了奥格重组，并且当组装在作为光学增益介质的密实固体中时，同时表现出较大的增益系数，"量子点团队的博士后Clément Livache说，他对制造的器件进行了光谱研究。"这有助于在一个复杂的电致发光结构中实现净光学增益，在这个结构中，一个薄的、可放大光的量子点层与多个吸收光的电荷传导层相结合。"

为了促进光的放大，研究人员还减少了他们设备中的光学损失。特别是，他们重新设计了电荷注入架构，去掉了有光学损耗的金属类材料，用适当优化的低吸收率有机层代替。此外，他们设计了一个装置的横截面轮廓，以减少高吸收性电荷传输层的光场强度，同时增强量子点增益介质的光场强度。

最后，为了实现激光振荡，所开发的器件还补充了一个光腔，该光腔被制备成一个周期性的光栅，被集成到器件的一个电极中。这个光栅作为一个所谓的分布式反馈谐振器，允许光在量子点层的横向平面上循环，从而实现多通道放大。

最后的挑战

利用光学激励达到了发光效果。由于通过电流产生的过多热量导致器件性能下降，因此没有观察到使用电泵的发光效果。这是展示电驱动激光振荡需要解决的最后一个挑战。

就在几年前，由于超快的奥格衰变、量子点LED的电流密度不足以及在同一设备中结合电致发光和发光功能的困难等问题，电泵送胶体量子点激光器被广泛认为是不可能的。洛斯阿拉莫斯量子点团队的成果展示了对大多数这些问题的实际解决方案，表明功能性量子点激光二极管已近在眼前。

参考信息

Namyoung Ahn et al, Optically Excited Lasing in a Cavity‐Based, High‐Current‐Density Quantum Dot Electroluminescent Device, Advanced Materials (2022). DOI: 10.1002/adma.202206613

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