Em um novo artigo de revisão na Nature Photonics, cientistas do Laboratório Nacional de Los Alamos avaliam o status da pesquisa em lasers de pontos quânticos coloidais com foco em dispositivos com bombeamento elétrico em potencial, ou diodos de laser. A revisão analisa os desafios para realizar lasing com excitação elétrica, discute abordagens para superá-los, e pesquisa avanços recentes em direção a esse objetivo.

"Os lasers de pontos quânticos coloidais têm um potencial tremendo em uma gama de aplicações, incluindo circuitos ópticos integrados, tecnologias vestíveis, dispositivos lab-on-a-chip, e imagens e diagnósticos médicos avançados, "disse Victor Klimov, pesquisador sênior na divisão de Química de Los Alamos e autor principal do artigo de capa em Nature Photonics . "Esses diodos laser de pontos quânticos processados ​​por solução apresentam desafios únicos, que estamos fazendo um bom progresso na superação. "

Heeyoung Jung e Namyoung Ahn, também da divisão de Química de Los Alamos, são co-autores.

Lasers semicondutores, ou diodos laser, são uma parte essencial de muitos produtos de consumo comuns, bem como equipamentos sofisticados usados ​​em telecomunicações, pesquisa científica, Medicina, e exploração espacial. Usualmente, esses dispositivos empregam filmes semicondutores ultrafinos, ou poços quânticos, crescido por meio de deposição atômica camada por camada à base de vácuo.

Embora permitindo um controle requintado das propriedades do material, este método de crescimento é altamente exigente e requer um ambiente de sala limpa. Além disso, é restrito a um número razoavelmente pequeno de materiais mutuamente compatíveis usados ​​como meio de difusão e substrato subjacente. Especificamente, problemas de compatibilidade complicam muito a integração dos lasers semicondutores existentes com a microeletrônica padrão baseada em silício.

"Esses problemas podem, em princípio, ser resolvido com emissores de luz processáveis ​​por solução de baixo custo, "Klimov disse." Em particular, uma alternativa atraente para poços quânticos padrão são partículas semicondutoras preparadas por meio de química coloidal de bancada. "

Muitos marcos importantes de relevância direta para o desenvolvimento de lasers de pontos quânticos coloidais foram alcançados em Los Alamos, na equipe de Nanotecnologia e Espectroscopia Avançada da divisão de Química. Esta equipe está envolvida na pesquisa de ponta quântica de ponta por mais de duas décadas e tem sido responsável por inúmeras contribuições nas áreas de síntese de pontos quânticos, seus estudos fundamentais e aplicações de dispositivos.

Os pontos quânticos coloidais podem ser sintetizados em grandes quantidades em um laboratório de química úmida padrão usando baixo custo, precursores prontamente disponíveis. Avançar, eles podem ser combinados com virtualmente qualquer substrato que resolveria o problema de compatibilidade com a microeletrônica de silício e abriria novas áreas de aplicações não acessíveis com diodos laser tradicionais.

Existem também vantagens adicionais derivadas da natureza quântica única dos nanocristais coloidais. Em particular, devido aos seus tamanhos ultrapequenos, seu comprimento de onda de emissão pode ser prontamente ajustado por várias dimensões de nanocristais. Esta poderosa capacidade pode permitir diodos de laser com uma gama ultra-ampla de cores acessíveis. Avançar, a estrutura discreta de estados do tipo atômico de ponto quântico inibe o despovoamento térmico dos estados de emissão de energia mais baixa e, assim, reduz os limiares de laser e melhora a estabilidade de temperatura de um dispositivo de laser.

"Apesar desses benefícios potenciais, os pontos quânticos coloidais são materiais de lasing difíceis, "Klimov disse." Nanocristais de alta qualidade estão disponíveis desde o início dos anos 90. Contudo, eles não iriam desaparecer até por volta de 2000, quando nossa equipe em Los Alamos demonstrou pela primeira vez o efeito da amplificação de luz com nanocristais de seleneto de cádmio. "

A chave para esta demonstração foram duas importantes descobertas feitas em Los Alamos. Um foi a constatação de que o ganho óptico não depende de excitons únicos (como em um processo de emissão de luz padrão), mas em biexcitons e outros estados de maior multiplicidade. O outro desafio identificado foi que o canal de desativação primário de estados de biexciton era uma recombinação Auger não radiativa muito rápida, em que os biexcitons geram calor em vez de luz.

Para resolver esses desafios, Os pesquisadores de Los Alamos utilizaram sólidos de pontos quânticos densamente compactados, o que lhes permitiu aumentar a taxa de emissão estimulada para que pudesse superar a decadência do Auger. Avançar, eles empregaram pulsos muito curtos (cerca de 100 femtossegundos) para preencher os pontos quânticos com biexcitons antes que tivessem a chance de decair por meio do processo Auger. Esta abordagem produziu um resultado muito esperado - a realização da emissão espontânea ampliada, prova de princípio para lasing de ponto quântico coloidal.

A recombinação Auger ainda representa um grande obstáculo para a realização de lasers de pontos quânticos tecnologicamente viáveis. Outro sério desafio é o desenvolvimento de dispositivos práticos que podem sustentar densidades de corrente ultra-altas de centenas de amperes por centímetro quadrado necessários para lasing. A realização de tais estruturas é muito complicada por propriedades pobres de transporte de carga de sólidos de pontos quânticos granulares e alta resistividade de camadas de transporte de carga processadas em solução. Como resultado, os dispositivos são superaquecidos rapidamente em altas densidades de corrente e, eventualmente, falham devido à quebra induzida pelo calor.

Para resolver o problema de dano térmico, Los Alamos desenvolveu uma nova arquitetura de dispositivo em que o fluxo de corrente era restrito a uma pequena área de 50 por 300 mícrons. Esta abordagem de foco na corrente aumenta a densidade da corrente e simultaneamente reduz o volume de geração de calor e melhora a troca de calor com o meio ambiente. Um truque adicional era entregar portadores em rajadas curtas de corrente entre as quais o volume ativo tinha a chance de despejar calor em um meio circundante.

Essas medidas permitiram aumentar as densidades atuais para níveis sem precedentes de cerca de 1, 000 amperes por centímetro quadrado, melhoria de mais de cem vezes em comparação com os registros anteriores. Isso foi suficiente para obter ganho óptico de banda larga capaz de sustentar o lasing em uma ampla gama de comprimentos de onda que vão do vermelho ao amarelo com uma única amostra de ponto quântico.

Outro desafio é a incorporação de um ressonador óptico de modo que não interrompa as vias de injeção de carga e, ao mesmo tempo, mantém o lasing apesar da presença de camadas de transporte de carga "opticamente com perdas". Este problema também foi resolvido recentemente por pesquisadores de Los Alamos.

Em particular, eles aplicaram uma abordagem interessante em que um ressonador óptico foi preparado como uma grade periódica gravada em uma camada servindo como um injetor de elétrons. Desta maneira, eles preservaram a arquitetura padrão de um diodo emissor de luz (LED), mas o dotaram de uma função adicional de dispositivo de laser. As estruturas de função dupla desenvolvidas funcionaram como um LED padrão operando sob bombeamento elétrico e um laser ativado opticamente.

A etapa final é combinar todas essas estratégias em um único dispositivo capaz de lasing com excitação elétrica. Dados os avanços recentes em arquiteturas de densidade de corrente ultra-alta e receitas bem-sucedidas para integração de cavidades, este objetivo parece estar próximo, sugerindo que os diodos laser de pontos quânticos coloidais em breve podem se tornar uma realidade.