洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員在利用膠體量子點技術開發高強度光發射器方面取得了重大進展，創造了具有前所未有的亮度水平的雙功能設備。這一突破可能會影響各個領域，包括集成電子學、光子學和醫療診斷，並使功能性量子點激光二極管更接近現實。

藝術家對膠體量子點（彩色六邊形）從溶液（一灘液體）中投射到光柵（一組水平線）上，並通過電（閃電般的痕跡）或光學（來自右邊的狹窄白色光束）激發，產生多色輸出（光束從中間向左下方擴散）的表現。資料來源：Albin Guyot

洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一個團隊已經克服了在技術上可行的基於膠體量子點技術的高強度光發射器的關鍵挑戰，產生了既能作為光學激勵激光器又能作為高亮度電驅動發光二極管（LED）工作的雙功能器件。

正如《先進材料》雜誌所描述的那樣，這一進展代表了邁向電泵送膠體量子點激光器或激光二極管的一個關鍵里程碑，這種新型設備的影響將跨越眾多技術，包括集成電子和光子學、光學互連、片上實驗室平台、可穿戴設備和醫療診斷。

“對膠體量子點激光二極管的探索代表了世界範圍內旨在實現基於溶液加工材料的電泵浦激光器和放大器的努力的一部分，”洛斯阿拉莫斯化學部門的科學家和該研究的團隊負責人維克多-克里莫夫說。”這些設備因其與幾乎任何基底的兼容性、可擴展性和與片上電子和光子學（包括傳統的矽基電路）的易於集成而被有著急迫的需求。”

與標準的LED一樣，在該團隊的新設備中，量子點層充當了一個電驅動的光發射器。然而，由於每平方厘米超過500安培的極高電流密度，這些器件表現出前所未有的亮度，每平方米超過100萬坎德拉（坎德拉衡量在特定方向發射的光功率）。這種亮度使它們非常適合於日光顯示器、投影儀和交通燈等應用。

量子點層還表現為一個高效的波導放大器，具有較大的淨光學增益。洛斯阿拉莫斯團隊用一個包含所有電荷傳輸層和電泵所需其他元素的全功能LED型設備堆棧實現了窄帶發光。這一進展為備受期待的電泵送發光演示打開了大門，這一效果將使膠體量子點發光技術得以全面實現。

膠體量子點

半導體納米晶體–或膠體量子點–是實現包括激光二極管在內的照明設備的有吸引力的材料。它們可以通過中等溫度的化學技術以原子級精度製備。

此外，由於它們的尺寸很小，與電子波函數的自然範圍相當，量子點表現出離散的類似原子的電子狀態，其能量直接取決於顆粒大小。這種所謂的”量子尺寸”效應的結果可以被利用來將發光線調到所需的波長，或設計一個支持多波長發光的多色增益介質。從量子點電子狀態的特殊原子狀光譜衍生出的其他優勢包括低光學增益閾值和抑制發光特性對器件溫度變化的敏感性。

解決電泵挑戰的創新設計

大多數量子點發光研究都採用了短光脈衝來激發光學增益介質。用電驅動量子點實現發光是一項更具挑戰性的任務。通過他們的新設備，洛斯阿拉莫斯研究小組向這一目標邁出了重要一步。

實驗室主任的博士後和量子點團隊的首席設備專家Namyoung Ahn說：”挑戰在於電和光設備的設計領域。特別是該設備的電荷注入結構必須能夠產生和維持激光作用所需的非常高的電流密度。同一裝置還必須表現出低的光學損耗，以使得不抑制在薄的量子點活性介質中產生的增益。”

為了提高光學增益，該團隊開發了新的納米晶體，他們稱之為”緊湊成分分級量子點”。

“這些新型量子點的特點是由於內置的成分梯度而抑制了奧格重組，並且當組裝在作為光學增益介質的密實固體中時，同時表現出較大的增益係數，”量子點團隊的博士後Clément Livache說，他對製造的器件進行了光譜研究。”這有助於在一個複雜的電致發光結構中實現淨光學增益，在這個結構中，一個薄的、可放大光的量子點層與多個吸收光的電荷傳導層相結合。”

為了促進光的放大，研究人員還減少了他們設備中的光學損失。特別是，他們重新設計了電荷注入架構，去掉了有光學損耗的金屬類材料，用適當優化的低吸收率有機層代替。此外，他們還設計了一個器件的截面輪廓，以減少高吸收性電荷傳輸層中的光場強度，同時增強量子點增益介質中的光場強度。

最後，為了實現激光振盪，所開發的器件還補充了一個光腔，該光腔被製備成一個週期性的光柵，被集成到器件的一個電極中。這個光柵作為一個所謂的分佈式反饋諧振器，允許光在量子點層的橫向平面上循環，從而實現多通道放大。

最後的挑戰

科學家利用光學激勵達到了發光效果，由於通過電流產生的過多熱量導致器件性能下降，因此沒有觀察到使用電泵的發光效果。這是展示電驅動激光振盪需要解決的最後一個挑戰。

就在幾年前，由於超快的奧格衰變、量子點LED的電流密度不足以及在同一設備中結合電致發光和發光功能的困難等問題，電泵送膠體量子點激光器被廣泛認為是不可能的。洛斯阿拉莫斯量子點團隊的成果展示了對大多數這些問題的實際解決方案，表明功能性量子點激光二極管已近在眼前。