En un nuevo artículo de revisión en Nature Photonics, Científicos del Laboratorio Nacional de Los Alamos evalúan el estado de la investigación sobre láseres de puntos cuánticos coloidales con un enfoque en posibles dispositivos bombeados eléctricamente, o diodos láser. La revisión analiza los desafíos para realizar el láser con excitación eléctrica, analiza enfoques para superarlos, y examina los avances recientes hacia este objetivo.

"Los láseres de puntos cuánticos coloidales tienen un enorme potencial en una amplia gama de aplicaciones, incluidos los circuitos ópticos integrados, tecnologías portátiles, dispositivos de laboratorio en un chip, e imágenes y diagnósticos médicos avanzados, "dijo Victor Klimov, investigador senior en la división de Química de Los Alamos y autor principal del artículo de portada en Fotónica de la naturaleza . "Estos diodos láser de punto cuántico procesados ​​en solución presentan desafíos únicos, que estamos logrando un buen progreso en la superación ".

Heeyoung Jung y Namyoung Ahn, también de la división de Química de Los Alamos, son coautores.

Láseres semiconductores, o diodos láser, son una parte esencial de muchos productos de consumo comunes, así como equipos sofisticados utilizados en telecomunicaciones, investigación científica, medicamento, y exploración espacial. Generalmente, estos dispositivos emplean películas semiconductoras ultrafinas, o pozos cuánticos, crecido mediante deposición atómica capa por capa basada en el vacío.

Al tiempo que permite un control exquisito de las propiedades del material, este método de cultivo es muy exigente y requiere un entorno de sala limpia. Además, está restringido a un número bastante pequeño de materiales mutuamente compatibles utilizados como medio láser y sustrato subyacente. Específicamente, Los problemas de compatibilidad complican enormemente la integración de láseres semiconductores existentes con microelectrónica estándar basada en silicio.

"Estos problemas pueden, en principio, ser resuelto con emisores de luz procesables en solución de bajo costo, ", Dijo Klimov." En particular, una alternativa atractiva a los pozos cuánticos estándar son las partículas semiconductoras preparadas mediante química coloidal de sobremesa ".

En Los Alamos se han logrado muchos hitos clave de relevancia directa para el desarrollo de láseres de puntos cuánticos coloidales. en el equipo de Nanotecnología y Espectroscopia Avanzada de la división de Química. Este equipo se ha dedicado a la investigación de puntos cuánticos de última generación durante más de dos décadas y ha sido responsable de numerosas contribuciones en las áreas de síntesis de puntos cuánticos. sus estudios fundamentales y aplicaciones de dispositivos.

Los puntos cuánticos coloidales se pueden sintetizar en grandes cantidades en un laboratorio de química húmeda estándar utilizando precursores fácilmente disponibles. Más lejos, se pueden combinar con prácticamente cualquier sustrato que resolvería el problema de la compatibilidad con la microelectrónica de silicio y abriría nuevas áreas de aplicaciones a las que no se puede acceder con los diodos láser tradicionales.

También existen ventajas adicionales derivadas de la naturaleza cuántica única de los nanocristales coloidales. En particular, debido a sus tamaños ultrapequeños, su longitud de onda de emisión se puede ajustar fácilmente variando las dimensiones de los nanocristales. Esta poderosa capacidad podría habilitar diodos láser con una gama ultra amplia de colores accesibles. Más lejos, la estructura discreta de estados de tipo atómico de puntos cuánticos inhibe la despoblación térmica de los estados emisores de energía más baja y, por lo tanto, reduce los umbrales de emisión láser y mejora la estabilidad de temperatura de un dispositivo láser.

"A pesar de estos posibles beneficios, los puntos cuánticos coloidales son materiales de láser difíciles, "Dijo Klimov." Los nanocristales de alta calidad han estado disponibles desde principios de los 90. Sin embargo, no durarían hasta alrededor del 2000, cuando nuestro equipo en Los Alamos demostró por primera vez el efecto de la amplificación de la luz con nanocristales de seleniuro de cadmio ".

La clave de esta demostración fueron dos importantes descubrimientos hechos en Los Alamos. Una fue la constatación de que la ganancia óptica no se basa en excitones individuales (como en un proceso de emisión de luz estándar), sino en biexcitons y otros estados de mayor multiplicidad. El otro desafío identificado fue que el canal de desactivación primario de los estados de biexciton era una recombinación Auger no radiativa muy rápida por la que los biexcitons generan calor en lugar de luz.

Para resolver estos desafíos, Los investigadores de Los Alamos utilizaron sólidos de puntos cuánticos densamente empaquetados, lo que les permitió aumentar la tasa de emisión estimulada para que pudiera superar la descomposición de Auger. Más lejos, emplearon pulsos muy cortos (alrededor de 100 femtosegundos) para poblar puntos cuánticos con biexcitones antes de que tuvieran la oportunidad de desintegrarse mediante el proceso Auger. Este enfoque produjo un resultado largamente esperado:la realización de una emisión espontánea amplificada, prueba de principio para láser de puntos cuánticos coloidales.

La recombinación Auger todavía representa un obstáculo importante para la realización de láseres de puntos cuánticos tecnológicamente viables. Otro desafío serio es el desarrollo de dispositivos prácticos que puedan soportar densidades de corriente ultra altas de cientos de amperios por centímetro cuadrado requeridos para el láser. La realización de tales estructuras se complica enormemente por las malas propiedades de transporte de carga de los sólidos granulares de puntos cuánticos y la alta resistividad de las capas de transporte de carga procesadas en solución. Como resultado, los dispositivos se sobrecalientan rápidamente a altas densidades de corriente y eventualmente fallan debido a una falla inducida por el calor.

Para resolver el problema del daño térmico, Los Alamos desarrolló una nueva arquitectura de dispositivo en la que el flujo de corriente estaba restringido a un área pequeña de 50 por 300 micrones. Este enfoque de enfoque de corriente aumenta la densidad de corriente y simultáneamente reduce el volumen de generación de calor y mejora el intercambio de calor con el medio ambiente. Un truco adicional consistía en entregar portadores en ráfagas cortas de corriente entre las cuales el volumen activo tenía la oportunidad de descargar calor en un medio circundante.

Estas medidas permitieron impulsar las densidades actuales a niveles sin precedentes de aproximadamente 1, 000 amperios por centímetro cuadrado, Mejora de más de cien veces en comparación con los registros anteriores. Esto fue suficiente para lograr una ganancia óptica de banda ancha capaz de sostener el láser en una amplia gama de longitudes de onda que van del rojo al amarillo con una sola muestra de punto cuántico.

Otro desafío es la incorporación de un resonador óptico para que no interrumpa las vías de inyección de carga y, al mismo tiempo, mantiene el láser a pesar de la presencia de capas de transporte de carga con "pérdidas ópticas". Este problema también ha sido resuelto recientemente por investigadores de Los Alamos.

En particular, aplicaron un enfoque interesante en el que se preparó un resonador óptico como una rejilla periódica grabada en una capa que sirve como inyector de electrones. De este modo, conservaron una arquitectura estándar de un diodo emisor de luz (LED) pero lo dotaron de una función adicional de dispositivo láser. Las estructuras de doble función desarrolladas funcionaron como un LED estándar que funciona con bombeo eléctrico y un láser activado ópticamente.

El paso final es combinar todas estas estrategias en un solo dispositivo capaz de emitir láser con excitación eléctrica. Dados los avances recientes en arquitecturas de densidad de corriente ultra alta y recetas exitosas para la integración de cavidades, este objetivo parece estar al alcance de la mano, lo que sugiere que los diodos láser de puntos cuánticos coloidales pronto pueden convertirse en una realidad.