Amplificación de luz por emisión estimulada de puntos cuánticos coloidales accionados eléctricamente finalmente lograda

En un resultado de décadas de desarrollo, los científicos de Los Álamos lograron la amplificación de la luz con dispositivos accionados eléctricamente basados ​​en nanocristales semiconductores fundidos en solución: pequeñas especificaciones de materia semiconductora hechas mediante síntesis química y, a menudo, llamadas puntos cuánticos coloidales.

Esta demostración, reportada en la revista Naturalezaabre la puerta a una clase completamente nueva de dispositivos láser bombeados eléctricamente: diodos láser altamente flexibles y procesables en solución que se pueden preparar en cualquier sustrato cristalino o no cristalino sin la necesidad de técnicas sofisticadas de crecimiento basadas en vacío o una limpieza altamente controlada. -ambiente de la habitación.

«Las capacidades para lograr la amplificación de la luz con puntos cuánticos coloidales accionados eléctricamente surgieron de décadas de nuestra investigación previa sobre la síntesis de nanocristales, sus propiedades fotofísicas y el diseño óptico y eléctrico de los dispositivos de puntos cuánticos», dijo Victor Klimov, miembro del laboratorio y líder del iniciativa de investigación de puntos cuánticos.

«Nuestros novedosos puntos cuánticos ‘graduados por su composición’ exhiben una vida útil prolongada de ganancia óptica, grandes coeficientes de ganancia y bajos umbrales de láser, propiedades que los convierten en un material láser perfecto. Los enfoques desarrollados para lograr la amplificación de luz impulsada eléctricamente con nanocristales fundidos en solución podrían ayudar a un desafío de larga data de integrar circuitos fotónicos y electrónicos en el mismo chip de silicio y está preparado para avanzar en muchos otros campos que van desde la iluminación y las pantallas hasta la información cuántica, el diagnóstico médico y la detección química».

Más de dos décadas de investigación

La investigación durante más de dos décadas ha buscado lograr el láser de puntos cuánticos coloidales con bombeo eléctrico, un requisito previo para su uso generalizado en tecnologías prácticas. Los diodos láser tradicionales, ubicuos en las tecnologías modernas, producen luz coherente altamente monocromática bajo excitación eléctrica. Pero tienen deficiencias: desafíos con la escalabilidad, brechas en el rango de longitudes de onda accesibles y, lo que es más importante, una incompatibilidad con las tecnologías de silicio que limita su uso en microelectrónica. Esos problemas han estimulado la búsqueda de alternativas en el ámbito de materiales procesables en solución altamente flexibles y fácilmente escalables.

Los puntos cuánticos coloidales preparados químicamente son especialmente atractivos para implementar diodos láser procesables en solución. Además de ser compatibles con técnicas químicas económicas y fácilmente escalables, ofrecen las ventajas de una longitud de onda de emisión de tamaño ajustable, umbrales de ganancia óptica bajos y estabilidad a alta temperatura de las características de láser.

Sin embargo, múltiples desafíos han obstaculizado el desarrollo de la tecnología, incluida la rápida recombinación Auger de estados multiportadores de ganancia activa, la estabilidad deficiente de las películas de nanocristales a las altas densidades de corriente requeridas para la emisión de láser y la dificultad de obtener una ganancia óptica neta en un dispositivo complejo accionado eléctricamente en el que un La fina capa de nanocristales electroluminiscentes se combina con varias capas conductoras de carga con pérdida óptica que tienden a absorber la luz emitida por los nanocristales.

Soluciones para los desafíos del diodo láser de punto cuántico coloidal

Era necesario resolver una serie de desafíos técnicos para realizar el láser de puntos cuánticos coloidales accionados eléctricamente. Los puntos cuánticos no solo necesitan emitir luz, sino que necesitan multiplicar los fotones generados a través de la emisión estimulada. Ese efecto se puede convertir en oscilaciones láser, o láser, al combinar los puntos cuánticos con un resonador óptico que haría circular la luz emitida a través del medio de ganancia. Resuelva eso, y tendrá láser de puntos cuánticos accionado eléctricamente.

En los puntos cuánticos, la emisión estimulada compite con la recombinación Auger no radiativa muy rápida, el principal impedimento del láser en estos materiales. El equipo de Los Álamos desarrolló un enfoque muy eficaz para suprimir el decaimiento Auger no radiativo mediante la introducción de gradientes de composición cuidadosamente diseñados en el interior del punto cuántico.

También se requieren densidades de corriente muy altas para lograr el régimen de láser. Esa corriente, sin embargo, puede condenar a un dispositivo.

«Un diodo emisor de luz de punto cuántico típico funciona con densidades de corriente que no superan aproximadamente 1 amperio por centímetro cuadrado», dijo Namyoung Ahn, becario posdoctoral del director de Los Álamos y experto principal en diseño de dispositivos para el proyecto. «Sin embargo, la realización del láser requiere de decenas a cientos de amperios por centímetro cuadrado, lo que normalmente conduciría a la avería del dispositivo debido al sobrecalentamiento. Este ha sido un problema clave que obstaculiza la realización del láser con bombeo eléctrico».

Para resolver el problema del sobrecalentamiento, el equipo confinó la corriente eléctrica en dominios espaciales y temporales, reduciendo en última instancia la cantidad de calor generado y mejorando al mismo tiempo el intercambio de calor con el medio circundante. Para implementar estas ideas, los investigadores incorporaron una capa intermedia aislante con una pequeña apertura de enfoque de corriente en una pila de dispositivos y usaron pulsos eléctricos cortos (aproximadamente 1 microsegundo de duración) para impulsar los LED.

Los dispositivos desarrollados pudieron alcanzar densidades de corriente sin precedentes de hasta aproximadamente 2000 amperios por centímetro cuadrado, suficiente para generar una fuerte ganancia óptica de banda ancha que abarca múltiples transiciones ópticas de puntos cuánticos.

«Otro desafío es lograr un equilibrio favorable entre la ganancia óptica y las pérdidas ópticas en una pila completa de dispositivos LED que contenga varias capas conductoras de carga que puedan exhibir una fuerte absorción de luz», dijo el investigador postdoctoral del laboratorio Clément Livache, quien coordinó el componente espectroscópico de este proyecto. . «Para abordar este problema, agregamos una pila de bicapas dieléctricas, formando el llamado reflector Bragg distribuido».

Usando un reflector Bragg como sustrato subyacente, los investigadores pudieron controlar una distribución espacial de un campo eléctrico a través del dispositivo y darle forma para reducir la intensidad del campo en capas conductoras de carga con pérdida óptica y mejorar el campo en el punto cuántico. ganancia media.

Con esas innovaciones, el equipo demostró un efecto buscado por la comunidad científica durante décadas: emisión espontánea amplificada brillante (ASE) realizada con puntos cuánticos coloidales bombeados eléctricamente. En el proceso ASE, los «fotones semilla» producidos por emisión espontánea lanzan una «avalancha de fotones» impulsada por la emisión estimulada de los puntos cuánticos excitados. Esto aumenta la intensidad de la luz emitida, aumenta su direccionalidad y mejora la coherencia. ASE puede considerarse un precursor del láser, el efecto que surge cuando un medio compatible con ASE se combina con un resonador óptico.

Los LED de punto cuántico de tipo ASE representan una utilidad práctica considerable como fuentes de luz de banda estrecha altamente direccional para aplicaciones en productos de consumo (por ejemplo, pantallas y proyectores), metrología, imágenes e instrumentación científica. También se asocian oportunidades interesantes con el uso prospectivo de estas estructuras en electrónica y fotónica, tradicional y cuántica, donde pueden ayudar a realizar amplificadores ópticos en chip espectralmente sintonizables integrados con varios tipos de interconexiones ópticas y estructuras fotónicas.

¿Que sigue?

Actualmente, el equipo está trabajando en la realización de oscilaciones láser con puntos cuánticos bombeados eléctricamente. En un enfoque, incorporan a los dispositivos la llamada «rejilla de retroalimentación distribuida», una estructura periódica que actúa como un resonador óptico que hace circular la luz en el medio de puntos cuánticos. El equipo también tiene como objetivo ampliar la cobertura espectral de sus dispositivos, centrándose en demostrar la amplificación de luz impulsada eléctricamente en el rango de longitudes de onda infrarrojas.

Los dispositivos infrarrojos de ganancia óptica procesables en solución podrían ser de gran utilidad en tecnologías de silicio, comunicaciones, imágenes y detección.