Ingenieure entwickeln Dual

27. März 2023

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vom Los Alamos National Laboratory

Ein Team des Los Alamos National Laboratory hat wichtige Herausforderungen auf dem Weg zu technologisch realisierbaren hochintensiven Lichtemittern auf Basis der kolloidalen Quantenpunkttechnologie gemeistert. Das Ergebnis sind Geräte mit Doppelfunktion, die sowohl als optisch angeregter Laser als auch als elektrisch angetriebene Leuchtdiode mit hoher Helligkeit arbeiten (LED).

Wie in der Zeitschrift Advanced Materials beschrieben, stellt dieser Fortschritt einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu einem elektrisch gepumpten kolloidalen Quantenpunktlaser oder einer Laserdiode dar, einem neuen Gerätetyp, dessen Auswirkungen zahlreiche Technologien umfassen würden, darunter integrierte Elektronik und Photonik, optische Verbindungen und Lab-on -a-Chip-Plattformen, tragbare Geräte und medizinische Diagnostik.

„Die Suche nach kolloidalen Quantenpunktlaserdioden ist Teil einer weltweiten Anstrengung, die darauf abzielt, elektrisch gepumpte Laser und Verstärker auf der Grundlage lösungsverarbeitbarer Materialien zu realisieren“, sagte Victor Klimov, Wissenschaftler in der Chemieabteilung von Los Alamos und Teamleiter der Forschung. „Diese Geräte werden wegen ihrer Kompatibilität mit nahezu jedem Substrat, ihrer Skalierbarkeit und einfachen Integration in On-Chip-Elektronik und Photonik, einschließlich traditioneller siliziumbasierter Schaltkreise, angestrebt.“

Wie bei einer Standard-LED fungierte auch bei den neuen Geräten des Teams die Quantenpunktschicht als elektrisch betätigter Lichtemitter. Aufgrund extrem hoher Stromdichten von mehr als 500 Ampere pro Quadratzentimeter erreichten die Geräte jedoch eine beispiellose Helligkeit von mehr als einer Million Candela pro Quadratmeter (Candela misst die in eine bestimmte Richtung abgestrahlte Lichtleistung). Aufgrund dieser Helligkeit eignen sie sich gut für Anwendungen wie Tageslichtanzeigen, Projektoren und Ampeln.

Die Quantenpunktschicht verhielt sich auch wie ein effizienter Wellenleiterverstärker mit großem optischen Nettogewinn. Das Los Alamos-Team erreichte Schmalbandlaser mit einem voll funktionsfähigen LED-Gerätestapel, der alle Ladungstransportschichten und andere für das elektrische Pumpen erforderliche Elemente enthält. Dieser Fortschritt öffnet die Tür für die mit Spannung erwartete Demonstration des Laserns mit elektrischem Pumpen, der Effekt, der die vollständige Verwirklichung der kolloidalen Quantenpunktlasertechnologie ermöglichen wird.

Halbleiter-Nanokristalle – oder kolloidale Quantenpunkte – sind attraktive Materialien für die Implementierung von Lasergeräten, einschließlich Laserdioden. Sie können mit atomarer Präzision durch chemische Techniken bei moderaten Temperaturen hergestellt werden.

Darüber hinaus weisen Quantenpunkte aufgrund ihrer geringen Abmessungen, vergleichbar mit einem natürlichen Ausmaß elektronischer Wellenfunktionen, diskrete atomarähnliche elektronische Zustände auf, deren Energien direkt von der Partikelgröße abhängen. Diese Konsequenz eines sogenannten „Quantengrößeneffekts“ kann ausgenutzt werden, um die Laserlinie auf eine gewünschte Wellenlänge abzustimmen oder ein mehrfarbiges Verstärkungsmedium zu entwerfen, das Lasern bei mehreren Wellenlängen unterstützt. Zu den weiteren Vorteilen, die sich aus einem besonderen atomarähnlichen Spektrum elektronischer Quantenpunktzustände ergeben, gehören niedrige optische Verstärkungsschwellen und eine unterdrückte Empfindlichkeit der Lasereigenschaften gegenüber Änderungen der Gerätetemperatur.

Bei den meisten Quantenpunktlaserforschungen wurden kurze optische Impulse zur Anregung eines optischen Verstärkungsmediums eingesetzt. Die Realisierung des Laserns mit elektrisch angetriebenen Quantenpunkten ist eine weitaus anspruchsvollere Aufgabe. Mit ihren neuen Geräten ist dem Forschungsteam von Los Alamos ein wichtiger Schritt in Richtung dieses Ziels gelungen.

„Eine Herausforderung liegt im Bereich des Designs elektrischer und optischer Geräte“, sagte Namyoung Ahn, Postdoktorand eines Laborleiters und leitender Geräteexperte im Quantenpunktteam. „Insbesondere muss die Ladungsinjektionsarchitektur des Geräts in der Lage sein, sehr hohe Stromdichten zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, die für die Laserwirkung erforderlich sind. Das gleiche Gerät muss auch geringe optische Verluste aufweisen, um die in einem dünnen aktiven Quantenpunktmedium erzeugte Verstärkung nicht zu unterdrücken.“

Um den optischen Gewinn zu steigern, entwickelte das Team neue Nanokristalle, die es „kompakte, in der Zusammensetzung abgestufte Quantenpunkte“ nannte.

„Diese neuartigen Quantenpunkte zeichnen sich durch eine unterdrückte Auger-Rekombination aufgrund eines eingebauten Zusammensetzungsgradienten aus und weisen gleichzeitig einen großen Verstärkungskoeffizienten auf, wenn sie in einem dicht gepackten Feststoff zusammengebaut werden, der als optisches Verstärkungsmedium verwendet wird“, sagte Clément Livache, Postdoc zum Quantenpunkt Team, das spektroskopische Untersuchungen der hergestellten Geräte durchführte. „Dies trägt dazu bei, einen optischen Nettogewinn in einer komplexen Elektrolumineszenzstruktur zu erzielen, bei der eine dünne, lichtverstärkende Quantenpunktschicht mit mehreren lichtabsorbierenden, ladungsleitenden Schichten kombiniert wird.“

Um die Lichtverstärkung zu erleichtern, reduzierten die Forscher auch optische Verluste in ihren Geräten. Insbesondere haben sie die Ladungsinjektionsarchitektur neu gestaltet, indem sie optisch verlustbehaftete metallähnliche Materialien entfernt und durch entsprechend optimierte organische Schichten mit geringer Absorption ersetzt haben. Darüber hinaus entwickelten sie ein Gerätequerschnittsprofil, um die optische Feldintensität in hochabsorbierenden Ladungstransportschichten zu reduzieren und sie gleichzeitig im Quantenpunktverstärkungsmedium zu erhöhen.

Um schließlich Laseroszillationen zu ermöglichen, wurden die entwickelten Geräte durch einen optischen Hohlraum ergänzt, der als periodisches Gitter hergestellt und in eine der Geräteelektroden integriert wurde. Dieses Gitter fungierte als sogenannter Resonator mit verteilter Rückkopplung, der die Zirkulation von Licht in der lateralen Ebene der Quantenpunktschicht ermöglichte und so eine Verstärkung in mehreren Durchgängen ermöglichte.

Der Lasereffekt wurde durch optische Anregung erreicht. Das Lasern mittels elektrischem Pumpen wurde nicht beobachtet, da die Geräteleistung durch übermäßige Hitze, die durch einen fließenden Strom erzeugt wird, beeinträchtigt wurde. Dies ist die letzte Herausforderung, die angegangen werden muss, um elektrisch angetriebene Laseroszillationen zu demonstrieren.

Noch vor wenigen Jahren galten elektrisch gepumpte kolloidale Quantenpunktlaser aufgrund von Problemen wie dem ultraschnellen Auger-Zerfall, unzureichenden Stromdichten in Quantenpunkt-LEDs und Schwierigkeiten bei der Kombination von Elektrolumineszenz- und Laserfunktionen im selben Gerät allgemein als unmöglich. Die Ergebnisse des Quantenpunktteams aus Los Alamos zeigen praktische Lösungen für die meisten dieser Probleme und legen nahe, dass eine funktionsfähige Quantenpunktlaserdiode in greifbarer Nähe ist.

Mehr Informationen: Namyoung Ahn et al., Optically Excited Lasing in a Cavity-Based, High-Current-Density Quantum Dot Electroluminescent Device, Advanced Materials (2022). DOI: 10.1002/adma.202206613

Zeitschrifteninformationen:Fortgeschrittene Werkstoffe

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