二十多年来，研究人员一直在尝试通过电泵浦实现胶体量子点激光，毕竟这是其在实际技术中广泛应用的先决条件。虽然传统的激光二极管在电激发下可以产生单色性比较好的相干光，并在实际生活中广泛应用。但它们也有不足之处，比如可扩展性有待提高、发光波长的带宽有待增加以及不易于硅技术兼容，这些因素限制了它在微电子领域的应用。上述问题使得人们在高度灵活和易于扩展的解决方案领域寻找替代品——可加工材料。
因此，化学制备的胶体量子点因其成本低廉、可扩展性强、光学增益阈值低、热稳定性好和发光波长可调谐的优点逐渐走进科学家的视野。
然而，目前仍存在多种挑战阻碍该技术的发展，包括增益有源多载流子态的快速俄歇复合，激光所需的高电流密度下纳米晶体膜的稳定性差以及在复杂的电驱动器件中难以获得净光学增益等。
为了解决这些问题，经过多年努力，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员成功利用基于溶液制造半导体纳米晶体的电驱动装置实现了光放大。其中半导体纳米晶体是通过化学合成制成的微小半导体物质，通常被称为胶体量子点。这项研究为制作一种全新的电泵浦激光设备——高度灵活、溶液可加工的激光二极管奠定了基础。人们通过该技术可以在任何晶体或非晶体衬底上制备，而不需要复杂的真空生长技术或高度控制的洁净室环境。该成果以“Electrically driven amplified spontaneous emission from colloidal quantum dots”为题发表在Nature上(DOI: 10.1038/s41586-023-05855-6)。
图 ccg-QDs的光学和光电特性
实验室研究员、量子点研究计划的负责人Victor Klimov表示，通过电驱动胶体量子点实现光放大的能力，已经从他们之前几十年对纳米晶体合成、其光物理性质以及量子点器件的光学和电学设计的研究中出现。他们所设计的“成分渐变”型胶体量子点具有光学增益寿命长、增益系数大以及激光阈值低等特性，这些特性使得其成为一种完美的激光材料。利用溶液制造纳米晶体实现电驱动光放大的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，并有望推进照明、显示、量子信息、医疗诊断、化学传感等领域的发展。
然而实现电驱动胶体量子点激光仍需要解决许多技术难题。量子点不仅需要发光，还需要通过受激发射使产生的光子倍增。通过将量子点与光学谐振器相结合，使发射的光往复通过增益介质，这种效应可以转化为激光振荡或激光。
在量子点中，受激发射与非辐射俄歇复合存在竞争，这是目前激光材料的主要挑战。因此，洛斯阿拉莫斯团队设计了一种非常有效的方法，通过在量子点内部引入精心设计的成分梯度来抑制非辐射俄歇复合，从而促进受激辐射的实现。
与此同时，要想实现激光出射，还需要非常高的电流密度，但这有可能对设备造成损害。洛斯阿拉莫斯主任、该项目主要负责人Namyoung Ahn表示，一个典型的量子点发光二极管在电流密度不超过每平方厘米1安培的情况下工作，激光的实现通常需要每平方厘米几十到几百安培，这有可能会使设备过热而发生故障，该问题一直阻碍电泵浦激光的实现。
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。他们在器件堆栈中加入了一个带有小电流聚焦孔径的绝缘中间层，并使用短电脉冲(持续时间约为1微秒)来驱动LED。最终该器件的电流密度高达每平方厘米约2000安培，足以在多个量子点光学跃迁之间产生强大的宽带光学增益。
实验室博士后研究员Clément Livache表示，更深层的挑战则是在包含各种电荷导电层的完整LED器件中实现光学增益和光学损耗之间的平衡。为此，他们在器件中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衬底，研究人员能够控制电场在器件上的空间分布，并对其进行调制，从而降低光学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强度。
通过这些创新，该团队最终实现了学术界几十年来追求的目标——电泵浦胶体量子点的放大自发发射(ASE)。ASE型量子点LED可以用作窄带光源，在显示器、投影仪、成像等领域具有很高的应用价值。目前，研究团队正致力于用电泵浦量子点实现激光振荡，以及器件的光谱覆盖范围，重点是红外波长范围内的电驱动光放大。
