通过电驱动胶体量子点的刺激发射最终实现光的放大

在一项酝酿了几十年的成果中，洛斯阿拉莫斯的科学家们用基于溶液铸造的半导体纳米晶体的电驱动装置实现了光放大--这些微小的半导体物质通过化学合成制成，通常称为胶体量子点。

在《自然》杂志上报道的这一演示，为一类全新的电泵送照明设备打开了大门--高度灵活的、可溶液加工的激光二极管，可以在任何晶体或非晶体衬底上制备，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、量子点研究计划负责人维克多-克里莫夫说："用电驱动的胶体量子点实现光放大的能力来自于我们以前对纳米晶体的合成、它们的光物理特性以及量子点设备的光学和电气设计的几十年的研究。

"我们新颖的'成分分级'量子点表现出长的光学增益寿命、大的增益系数和低的发光阈值--这些特性使它们成为完美的发光材料。所开发的用溶液铸造的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，并有望推动从照明和显示到量子信息、医疗诊断和化学传感等许多其他领域。"

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发光，这是其在实用技术中广泛使用的先决条件。在现代技术中无处不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，在可获得的波长范围方面的差距，以及重要的是与硅技术的不兼容性，限制了它们在微电子领域的使用。这些问题促使人们在高度灵活和容易扩展的溶液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可溶液加工的激光二极管特别有吸引力。除了与廉价和容易扩展的化学技术兼容外，它们还具有发射波长大小可调、低光增益阈值和高温稳定的发光特性等优点。

然而，多种挑战阻碍了该技术的发展，包括增益活性多载波状态的快速奥格重组，纳米晶体薄膜在发光所需的高电流密度下稳定性差，以及在一个复杂的电驱动装置中获得净光增益的困难，其中薄的电致发光纳米晶体层与各种光学损耗、电荷传导层相结合，倾向于吸收纳米晶体发出的光。

胶体量子点激光二极管挑战的解决方案
要实现电驱动胶体量子点发光，需要解决一些技术挑战。量子点不仅需要发光，而且需要通过刺激发射使产生的光子成倍增加。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，或者说是发光。解决了这个问题，你就有了电驱动的量子点发光。

在量子点中，刺激性发射与非常快的非辐射性奥杰尔重组竞争，后者是这些材料中发光的主要障碍。洛斯阿拉莫斯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性奥杰衰变。

要达到发光状态，还需要非常高的电流密度。不过，这种电流可能会毁掉一个设备。

"一个典型的量子点发光二极管在电流密度不超过每平方厘米1安培的情况下工作，"洛斯阿拉莫斯主任的博士后研究员和该项目的首席设备设计专家Namyoung Ahn说。"然而，实现发光需要每平方厘米几十到几百安培的电流，这通常会导致器件因过热而崩溃。这一直是阻碍用电泵实现发光的一个关键问题"。

为了解决过热问题，该团队将电流限制在空间和时间领域，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，研究人员将一个具有小的电流聚焦孔的绝缘夹层纳入一个设备堆栈，并使用短电脉冲（大约1微秒的持续时间）来驱动LED。

所开发的设备能够达到前所未有的电流密度，大约为每平方厘米2000安培，足以产生跨越多个量子点光学转换的强大、宽频带的光学增益。

实验室博士后研究员Clément Livache说："进一步的挑战是在一个包含各种电荷传导层的完整的LED设备堆中实现光增益和光损失之间的有利平衡，这些电荷传导层可以表现出强烈的光吸收，"他协调这个项目的光谱部分。"为了解决这个问题，我们增加了一叠电介质双层，形成一个所谓的分布式布拉格反射器。

使用布拉格反射器作为底层基底，研究人员能够控制整个装置中电场的空间分布，并对其进行塑造，以便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，研究小组展示了研究界几十年来追求的一个效果：用电泵的胶体量子点实现明亮的放大自发发射（ASE）。在ASE过程中，由自发发射产生的 "种子光子 "在受激量子点的刺激发射的驱动下启动了 "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可以被认为是发光的前兆，当具有ASE能力的介质与光学谐振器结合时，会出现这种效果。

ASE型量子点LED作为高方向性、窄带光的来源，在消费产品（如显示器和投影仪）、计量学、成像和科学仪器的应用中代表了相当大的实用性。有趣的机会还与这些结构在电子学和光子学、传统和量子学中的应用有关，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的片上光学放大器。

下一步是什么？
目前，该团队正在研究用电泵浦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，作为光学谐振器在量子点介质中循环发光。该团队还旨在扩大其设备的光谱覆盖范围，重点是在红外波长范围内展示电驱动的光放大作用。

红外线、可溶液加工的光增益装置在硅技术、通信、成像和传感方面可能有很大的用途。

参考资料
 

Namyoung Ahn et al, Electrically driven amplified spontaneous emission from colloidal quantum dots, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05855-6

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