科学家打造出胶体量子点溶液的电泵浦激光器，性能优势大幅提升

在《自然·光子学》杂志上发表的一篇评论文章中，来自洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们评估了胶体量子点激光器的研究现状，重点是未来的电泵浦器件或激光二极管。

“胶体量子点激光器在一系列应用中具有巨大的潜力，包括集成光学电路、可穿戴技术、芯片实验室设备以及先进的医学成像和诊断，”Victor Klimov说，他是洛斯阿拉莫斯化学部门的高级研究员，也是《自然·光子学》杂志封面文章的主要作者。“这些解决方案处理的量子点激光二极管提出了独特的挑战，我们在克服这些挑战方面正在取得良好进展。”

半导体激光器，或称激光二极管，是许多普通消费品以及用于电信、科学研究、医学和太空探索的精密设备的重要组成部分。通常，这些器件采用超薄半导体薄膜或量子阱，通过真空原子沉积逐层生长。

虽然可以精确控制材料的性能，但这种生长方法要求很高，需要一个洁净的房间环境。此外，它被限制在相当少的相互兼容的材料用作激光介质和底层衬底。具体来说，兼容性问题大大复杂化了现有半导体激光器与标准硅基微电子学的集成。

“原则上，这些问题可以通过廉价的解决方案——可处理的光发射器来解决，”Klimov说。“特别是，通过台式胶体化学制备的半导体粒子，是标准量子阱的一个有吸引力的替代方案。”

胶体量子点可以在标准的湿化学实验室中使用廉价的、现成的前体大量合成。此外，它们可以与几乎任何衬底结合，这将解决与硅微电子的兼容性问题，并开辟传统激光二极管无法达到的新应用领域。

胶体纳米晶体的独特量子性质也带来了额外的优势。特别是，由于它们的尺寸极小，它们的发射波长可以很容易地通过改变纳米晶体的尺寸来调整。这种强大的能力可以使激光二极管具有超宽范围的可访问的颜色。此外，量子点类原子态的离散结构，抑制了能量最低发射态的热衰减，从而降低了激光阈值，提高了激光器件的温度稳定性。

“尽管有这些潜在的好处，但胶体量子点是一种很难的激光材料，”克里莫夫说。“自上世纪90年代初以来，高质量的纳米晶体就已经问世。然而，直到2000年左右，当我们在洛斯阿拉莫斯的团队首次演示了硒化镉纳米晶体的光放大效应时，它们才会激光。”

这个论证的关键是在洛斯阿拉莫斯的两个重要发现：一个是认识到光学增益并不依赖于单个激子（就像在标准的光发射过程中那样），而是依赖于双激子和其他更高多重性的状态。另一个确定的挑战是——双激子态的主要失活通道是非常快的无辐射俄歇复合（nonradiative Auger），双激子产生的是热而不是光。

为了解决这些挑战，洛斯阿拉莫斯的研究人员使用了密集的量子点固体，这使他们能够提高受激发射的速率，从而可以超过俄歇衰变的速度。此外，他们使用非常短的（约100飞秒）脉冲，在双激子有机会通过俄歇过程衰减之前，用双激子填充量子点。这种方法产生了期待已久的结果——实现了放大自发辐射，证明了胶体量子点激光的原理。

俄歇复合仍然是实现技术上可行的量子点激光器的主要障碍。另一个严峻的挑战是开发实用设备，使其能够维持激光所需的每厘米平方高达数百安培的超高电流密度。以往，由于粒状量子点固体电荷输运性能差，以及溶液处理电荷输运层的高电阻率，使得这种结构的实现变得非常复杂。因此，器件在高电流密度下很快就会过热，并最终因热击穿而失效。

为了解决热损伤问题，洛斯阿拉莫斯开发了一种新的设备架构，电流被限制在50×300微米的小区域内。这种聚焦电流的方法提高了电流密度，同时减少了产热体积，改善了与环境的热交换。另一个技巧是在短脉冲电流中传递载体，这有机会向周围的介质释放热量。

这些措施允许将电流密度提高到每平方厘米约1000安培的前所未有的水平，比以前的纪录提高了100多倍。这足以实现宽带光学增益，能够维持从红到黄的宽波长范围内的激光与单个量子点样品。

另一个挑战是引入一个光学谐振器——这样它就不会破坏电荷注入路径，同时在存在“光学有损”电荷传输层的情况下，仍能保持激光输出。这个问题最近也被洛斯阿拉莫斯的研究人员解决了。

特别是，他们采用了一种有趣的方法，将光学谐振器制成周期性光栅，雕刻在作为电子注入器的层中。通过这种方式，他们保留了发光二极管（(LED）的标准结构，但赋予了它一个额外的激光器件功能。开发的双功能结构，作为一个标准的LED在电泵和激光激活的光学下工作。

最后一步，则是将所有这些策略结合到一个能够用电激发激光的单一设备中。鉴于最近在超高电流密度结构和腔集成成功配方方面的进展，这一目标似乎触手可及，表明胶体量子点激光二极管可能很快成为现实。