膠體量子點(diǎn)材料由于具有激發(fā)光譜寬、半峰寬窄、顏色可調(diào)和可溶液加工等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。1月14日《自然通訊》雜志上刊登了洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)最新研究，為膠體量子點(diǎn)技術(shù)商業(yè)化帶來(lái)了希望。

研究團(tuán)隊(duì)將經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的膠體量子點(diǎn)納入一種新型發(fā)光二極管（LEDs）中，這種二極管包含一個(gè)集成的光學(xué)諧振器，可以像激光一樣工作。這些新穎的雙功能器件為多功能、更易制造的激光二極管開(kāi)辟了道路。這項(xiàng)技術(shù)有望徹底改變從光電子學(xué)到化學(xué)傳感、醫(yī)學(xué)診斷等眾多領(lǐng)域。

膠體量子點(diǎn)在LED模式下工作

洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室量子點(diǎn)組的負(fù)責(zé)人Victor Klimov表示：“這一最新的突破，以及我們?cè)诹孔狱c(diǎn)化學(xué)和設(shè)備工程方面取得的其他最新進(jìn)展，表明由溶液組裝而成的激光二極管可能很快就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。量子點(diǎn)顯示器和電視機(jī)已經(jīng)可以作為商業(yè)產(chǎn)品使用。膠體量子點(diǎn)激光器或是下一代產(chǎn)品。”

研究背景

量子點(diǎn)是準(zhǔn)零維的納米材料，由有限數(shù)目的原子組成。自上世紀(jì)70年代中期以來(lái)，因其具有許多獨(dú)特的性質(zhì)而得到了深入研究和廣泛應(yīng)用，利用量子點(diǎn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體材料制作器件就是其中非常重要的應(yīng)用之一。

膠體量子點(diǎn)是一種半導(dǎo)體納米粒子，它能有效地產(chǎn)生生動(dòng)和飽和的光色，被用于許多電子設(shè)備的顯示屏。膠體半導(dǎo)體量子點(diǎn)為制作集成的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體電子和光電子器件提供了機(jī)會(huì)�，F(xiàn)代半導(dǎo)體激光二極管需要復(fù)雜的、基于真空的逐層沉積技術(shù)制造。而膠體量子點(diǎn)激光器可以在條件不那么苛刻的實(shí)驗(yàn)室和工廠生產(chǎn)。

除了簡(jiǎn)化制造流程，降低生產(chǎn)成本，膠體量子點(diǎn)技術(shù)有利于拓展激光技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域，包括集成光子電路、光學(xué)電路、芯片上的實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)和可穿戴設(shè)備。

在過(guò)去的二十年中，Los Alamos量子點(diǎn)團(tuán)隊(duì)一直致力于基于膠體化學(xué)制備的半導(dǎo)體納米晶體激光器件的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

這些粒子，也被稱(chēng)為膠體量子點(diǎn)，可以很容易地從自然溶液環(huán)境中加工出來(lái)，制造出各種光學(xué)、電子和光電子器件。此外，它們可以“調(diào)整大小”，用于激光應(yīng)用，以產(chǎn)生現(xiàn)有半導(dǎo)體激光二極管無(wú)法獲得的顏色。

創(chuàng)新

在1月14日《自然通訊》雜志上發(fā)表的論文中，Los Alamos研究團(tuán)隊(duì)成功地解決了膠體量子點(diǎn)技術(shù)商業(yè)化道路上的幾個(gè)挑戰(zhàn)。

他們特別展示了一個(gè)可操作的LED，它還可以作為一個(gè)光學(xué)泵浦的低閾值激光器。為了實(shí)現(xiàn)這些行為，他們將一個(gè)光學(xué)諧振器直接集成到LED架構(gòu)中，而不阻礙電荷載流子流向量子點(diǎn)發(fā)射層。此外，通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)其多層器件的結(jié)構(gòu)，他們可以將發(fā)射光很好地限制在50納米左右的超薄量子點(diǎn)介質(zhì)中。這是獲得激光效果并同時(shí)允許電流有效激發(fā)量子點(diǎn)的關(guān)鍵。最后一個(gè)成分是可用于激光應(yīng)用的、獨(dú)特的量子點(diǎn)。Los Alamos團(tuán)隊(duì)根據(jù)多年來(lái)對(duì)這些納米結(jié)構(gòu)化學(xué)和物理的研究開(kāi)發(fā)了這種量子點(diǎn)配方。

研究團(tuán)隊(duì)展示的LED結(jié)構(gòu)

目前，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在解決剩下的挑戰(zhàn)，即把電流密度提高到足以獲得所謂的“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”的水平，即量子點(diǎn)活性介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣夥糯笃鞯臓顟B(tài)。

論文鏈接：Jeongkyun Roh et al, Optically pumped colloidal-quantum-dot lasing in LED-like devices with an integrated optical cavity, Nature Communications （2020）。 DOI: 10.1038/s41467-019-14014-3

原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_438946.html

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