Первый в мире лазер на коллоидных квантовых точках запустили в Лос-Аламосе

Ученые внедрили тщательно сконструированные коллоидные квантовые точки в новый тип светоизлучающих диодов (LED), содержащих встроенный оптический резонатор, который позволяет им работать как лазеры.


Новые двухфункциональные устройства открывают путь к универсальным и удобным для производства лазерным диодам. Технология потенциально может произвести революцию во многих областях, от фотоники и оптоэлектроники до химического зондирования и медицинской диагностики.


— Виктор Климов, руководитель группы квантовых точек в Лос-Аламосской национальной лаборатории.

Лазеры на коллоидных квантовых точках могут быть изготовлены с использованием более дешевых и простых методов, чем современные полупроводниковые лазерные диоды, которые требуют сложных методов послойного осаждения на основе вакуума. Лазеры, пригодные для обработки раствором, можно производить в менее сложных лабораторных и заводских условиях. Они могут привести к созданию устройств, которые принесут пользу в ряде новых областей, включая интегральные фотонные схемы, оптические схемы, платформы «лаборатория на кристалле» и носимые устройства.

В течение последних двух десятилетий команда исследователей квантовых точек из Лос-Аламоса работала над фундаментальными и прикладными аспектами лазерных устройств на основе полупроводниковых нанокристаллов, полученных с помощью коллоидной химии. Эти частицы, также известные как коллоидные квантовые точки, могут быть легко переработаны из среды их естественного раствора для создания различных оптических, электронных и оптоэлектронных устройств. Кроме того, они могут быть настроены для получения цветов, недоступных для существующих полупроводниковых лазерных диодов.

В статье, опубликованной в Nature Communications, исследователи из Лос-Аламоса успешно решили несколько проблем на пути к коммерчески жизнеспособной технологии коллоидных квантовых точек. В частности, они продемонстрировали работающий светодиод, который также функционировал как низкопороговый лазер с оптической накачкой.

Чтобы добиться такого поведения, они включили оптический резонатор непосредственно в светодиодную архитектуру, не препятствуя потокам носителей заряда в излучающий слой квантовых точек. Кроме того, тщательно спроектировав структуру своего многослойного устройства, ученые смогли добиться хорошего удержания излучаемого света внутри ультратонкой среды с квантовыми точками порядка 50 нанометров в поперечнике.

Это является ключом к получению эффекта генерации и, в то же время, к эффективному возбуждению квантовых точек электрическим током. Последним компонентом успешной демонстрации стали уникальные квантовые точки, усовершенствованные для лазерных приложений по рецептам команды из Лос-Аламоса за годы исследований в области химии и физики этих наноструктур.

В настоящее время ученые решают оставшуюся задачу — доведение плотности тока до уровней, достаточных для получения так называемой «инверсии населенностей» — режима, когда активная среда с квантовыми точками превращается в усилитель света.