洛斯阿拉莫斯国家实验室团队克服了基于胶体量子点技术的技术上可行的高强度光发射器的关键挑战，从而产生了既可作为光激发激光器又可用作高亮度电驱动发光二极管（LED）的双功能器件。
正如《先进材料》杂志所述，这一进展代表了电泵浦胶体量子点激光器或激光二极管的关键里程碑，这是一种新型设备，其影响将跨越众多技术，包括集成电子和光子学、光学互连、芯片实验室平台、可穿戴设备和医疗诊断。
“对胶体量子点激光二极管的追求代表了旨在实现基于溶液可加工材料的电泵浦激光器和放大器的全球努力的一部分，”洛斯阿拉莫斯化学部门的科学家Victor Klimov说。“这些器件因其与几乎任何基板的兼容性、可扩展性以及与片上电子和光子学（包括传统的硅基电路）的易于集成而受到追捧。
与标准LED一样，在该团队的新设备中，量子点层充当了电致动的光发射器。然而，由于每平方厘米超过500安培的极高电流密度，这些设备表现出前所未有的亮度水平，每平方米超过<>万坎德拉（坎德拉测量在给定方向上发射的发光功率）。这种亮度使其非常适合日光显示器、投影仪和交通信号灯等应用。
量子点层还充当具有大净光增益的高效波导放大器。洛斯阿拉莫斯团队通过一个功能齐全的 LED 型设备堆栈实现了窄带激光，该堆栈包含所有电荷传输层和电泵所需的其他元件。这一进步为备受期待的电泵送激光演示打开了大门，这种效果将允许胶体量子点激光技术的全面实现。
胶体量子点
半导体纳米晶体（或胶体量子点）是实现激光设备（包括激光二极管）的有吸引力的材料。它们可以通过中温化学技术以原子精度制备。
此外，由于它们的尺寸小，与电子波函数的自然范围相当，量子点表现出离散的类似原子的电子状态，其能量直接取决于粒径。可以利用所谓的“量子大小”效应的这种结果将激光线调谐到所需的波长，或设计支持多个波长激光的多色增益介质。量子点电子态的特殊原子类光谱带来的其他优点包括低光增益阈值和抑制激光特性对器件温度变化的灵敏度。
解决电动泵送挑战的创新设计
大多数量子点激光研究都采用短光脉冲来激发光增益介质。用电驱动的量子点实现激光是一项更具挑战性的任务。凭借他们的新设备，洛斯阿拉莫斯研究团队朝着这一目标迈出了重要的一步。
“一个挑战在于电气和光学设备设计领域，”实验室主任的博士后研究员，量子点团队的首席设备专家Namyoung Ahn说。“特别是，设备的电荷注入架构必须能够产生和维持激光动作所需的非常高的电流密度。同一器件还必须表现出低光损耗，以免抑制在薄量子点活性介质中产生的增益。
为了提高光学增益，该团队开发了新的纳米晶体，他们称之为“紧凑的成分分级量子点”。
“由于内置的成分梯度，这些新颖的量子点具有抑制的俄歇重组，并且在组装在用作光学增益介质的紧密堆积固体中时同时表现出较大的增益系数，”量子点团队的博士后Clément Livache说。“这有助于在复杂的电致发光结构中实现净光学增益，其中薄的光放大量子点层与多个光吸收电荷传导层相结合。
为了促进光放大，研究人员还减少了他们设备中的光损耗。特别是，他们重新设计了电荷注入架构，去除了光学损耗金属类材料，并用适当优化的低吸收率有机层取而代之。此外，他们设计了一个器件横截面轮廓，以降低高吸收电荷传输层中的光场强度，同时在量子点增益介质中增强光场强度。
最后，为了实现激光振荡，开发的器件辅以作为周期性光栅制备的光学腔，该光栅被集成到其中一个器件电极中。该光栅充当所谓的分布式反馈谐振器，允许在量子点层的侧平面上循环光，从而实现多程放大。
最后的挑战
激光效果是采用光激发获得的。由于通过电流产生的过热导致器件性能下降，因此未观察到使用电泵送的激光。这是演示电驱动激光振荡需要解决的最后一个挑战。
就在几年前，由于超快俄歇衰变、量子点LED电流密度不足以及难以在同一器件中结合电致发光和激光功能等问题，电泵浦胶体量子点激光器被广泛认为是不可能的。洛斯阿拉莫斯量子点团队的结果证明了大多数这些问题的实用解决方案，表明功能性量子点激光二极管近在咫尺。
