经过几十年的酝酿，洛斯阿拉莫斯的科学家们已经通过基于溶液铸造半导体纳米晶体的电驱动器件实现了光放大 - 通过化学合成制造的半导体物质的微小规格，通常称为胶体量子点。

这一演示发表在《自然》杂志上，为一类全新的电泵浦激光设备打开了大门——高度灵活、可溶液处理的激光二极管，可以在任何结晶或非结晶基板上制备，而无需复杂的基于真空的生长技术或高度受控的洁净室环境。

“用电驱动的胶体量子点实现光放大的能力已经出现在我们之前几十年对纳米晶体合成，它们的光物理特性以及量子点器件的光学和电气设计的研究，”实验室研究员Victor Klimov说。

“我们新颖的'成分分级'量子点具有较长的光学增益寿命、大增益系数和低激光阈值，这些特性使它们成为完美的激光材料。使用溶液铸造纳米晶体实现电驱动光放大的已开发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，并有望推动许多其他领域，从照明和显示器到量子信息，医学诊断和化学传感。

二十多年的研究

二十多年来的研究一直试图通过电泵送实现胶体量子点激光，这是其在实际技术中广泛使用的先决条件。传统激光二极管在现代技术中无处不在，在电激发下产生高度单色的相干光。但它们也有不足之处：可扩展性的挑战，可访问波长范围内的差距，以及重要的是与硅技术的不兼容，限制了它们在微电子中的使用。这些问题促使人们在高度灵活且易于扩展的解决方案可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的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，包括增益活性多载流子状态的快速俄歇复合，激光所需的高电流密度下纳米晶体薄膜的稳定性差，以及在复杂的电驱动器件中获得净光学增益的困难，其中薄的电致发光纳米晶层与各种光学损耗的电荷导电层相结合，倾向于吸收纳米晶体发出的光。

胶体量子点半导体激光管挑战的解决方案

要实现电驱动胶体量子点激光，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繁殖产生的光子。通过将量子点与光学谐振器相结合，可以将这种效应转化为激光振荡或激光，光学谐振器将使发射的光通过增益介质循环。解决了这个问题，你就有了电驱动的量子点激光。

在量子点中，受激发射与非常快速的非辐射俄歇复合竞争，这是这些材料中激光的主要障碍。洛斯阿拉莫斯团队开发了一种非常有效的方法来抑制非辐射俄歇衰变，方法是将精心设计的成分梯度引入量子点内部。

达到激光状态还需要非常高的电流密度。但是，这种电流可能会使设备失败。

“典型的量子点发光二极管在不超过每平方厘米约1安培的电流密度下工作，”洛斯阿拉莫斯主任博士后研究员，该项目的首席设备设计专家Namyoung Ahn说。“然而，激光的实现需要每平方厘米数十到数百安培，这通常会导致设备因过热而发生故障。这是阻碍实现电泵激光的关键问题。

为了解决过热问题，该团队将电流限制在空间和时间域中，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，研究人员将具有小电流聚焦孔径的绝缘中间膜整合到器件堆栈中，并使用短电脉冲(约1微秒持续时间)来驱动LED。

开发的器件能够达到前所未有的电流密度，高达每平方厘米约2，000安培，足以在多个量子点光学跃迁中产生强大的宽带光增益。

“另一个挑战是在包含各种电荷传导层的完整LED器件堆栈中实现光学增益和光损耗之间的有利平衡，这些电荷传导层可以表现出强烈的光吸收，”实验室博士后研究员Clément Livache说，他协调了该项目的光谱组件。“为了解决这个问题，我们增加了一堆介电双层，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基板，研究人员能够控制整个器件中电场的空间分布并对其进行塑造，从而降低光损耗电荷导电层中的场强度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追求的效果：用电泵浦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”发射由激发量子点的受激发射驱动的“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可以被认为是激光的前兆，激光是当具有ASE功能的介质与光学谐振器结合时出现的效应。

ASE 型量子点 LED 作为高方向性窄带光源，在消费产品(例如显示器和投影仪)、计量、成像和科学仪器等应用中具有相当大的实用性。有趣的机会也与这些结构在传统和量子电子和光子学中的预期应用有关，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片上光放大器。

下一步是什么?

目前，该团队正在努力实现电泵浦量子点的激光振荡。在一种方法中，它们将所谓的“分布式反馈光栅”集成到设备中，这是一种周期性结构，充当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，重点是展示红外波长范围内的电驱动光放大。

红外、可溶液处理的光学增益器件在硅技术、通信、成像和传感方面可能具有很大的实用性。

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