In un nuovo articolo di recensione su Nature Photonics, gli scienziati del Los Alamos National Laboratory valutano lo stato della ricerca sui laser a punti quantici colloidali con particolare attenzione ai potenziali dispositivi a pompaggio elettrico, o diodi laser. La revisione analizza le sfide per la realizzazione di laser con eccitazione elettrica, discute gli approcci per superarli, e rileva i recenti progressi verso questo obiettivo.

"I laser colloidali a punti quantici hanno un potenziale enorme in una vasta gamma di applicazioni, compresi circuiti ottici integrati, tecnologie indossabili, dispositivi lab-on-a-chip, e diagnostica e imaging medico avanzato, " ha detto Victor Klimov, un ricercatore senior nella divisione di chimica a Los Alamos e autore principale dell'articolo di copertina in Fotonica della natura . "Questi diodi laser a punti quantici elaborati in soluzione presentano sfide uniche, che stiamo facendo buoni progressi nel superamento".

Heeyoung Jung e Namyoung Ahn, anche della divisione di chimica di Los Alamos, sono coautori.

laser a semiconduttore, o diodi laser, sono una parte essenziale di molti prodotti di consumo comuni, nonché di apparecchiature sofisticate utilizzate nelle telecomunicazioni, ricerca scientifica, medicinale, e l'esplorazione dello spazio. Generalmente, questi dispositivi utilizzano pellicole semiconduttori ultrasottili, o pozzi quantistici, cresciuto tramite deposizione atomica strato per strato sotto vuoto.

Pur consentendo un controllo squisito delle proprietà del materiale, questo metodo di crescita è molto impegnativo e richiede un ambiente sterile. Inoltre, è limitato a un numero abbastanza ridotto di materiali reciprocamente compatibili utilizzati come mezzo laser e substrato sottostante. Nello specifico, i problemi di compatibilità complicano notevolmente l'integrazione dei laser a semiconduttore esistenti con la microelettronica standard a base di silicio.

"Questi problemi possono, in linea di principio, essere risolti con emettitori di luce poco costosi processabili in soluzione, "Klimov ha detto. "In particolare, un'alternativa interessante ai pozzi quantistici standard sono le particelle semiconduttrici preparate tramite chimica colloidale da banco".

Molte pietre miliari chiave di diretta rilevanza per lo sviluppo di laser a punti quantici colloidali sono state raggiunte a Los Alamos, nel team di Nanotecnologie e Spettroscopia Avanzata della divisione di Chimica. Questo team è impegnato nella ricerca all'avanguardia sui punti quantici da più di due decenni ed è stato responsabile di numerosi contributi nelle aree della sintesi dei punti quantici, i loro studi fondamentali e le applicazioni dei dispositivi.

I punti quantici colloidali possono essere sintetizzati in grandi quantità in un laboratorio di chimica umida standard utilizzando poco costoso, precursori facilmente reperibili. Ulteriore, possono essere combinati praticamente con qualsiasi substrato che risolverebbe il problema della compatibilità con la microelettronica al silicio e aprirebbe nuove aree di applicazioni non accessibili con i tradizionali diodi laser.

Ci sono anche ulteriori vantaggi derivati ​​dalla natura quantistica unica dei nanocristalli colloidali. In particolare, grazie alle loro dimensioni ultraridotte, la loro lunghezza d'onda di emissione può essere facilmente regolata variando le dimensioni dei nanocristalli. Questa potente capacità potrebbe abilitare diodi laser con una gamma ultra ampia di colori accessibili. Ulteriore, la struttura discreta degli stati atomici a punti quantici inibisce lo spopolamento termico degli stati a più bassa emissione di energia e quindi riduce le soglie laser e migliora la stabilità della temperatura di un dispositivo laser.

"Nonostante questi potenziali benefici, i punti quantici colloidali sono materiali laser difficili, "Klimov ha detto. "Nanocristalli di alta qualità sono disponibili fin dai primi anni '90. Però, non sarebbero durati fino al 2000 circa, quando il nostro team a Los Alamos ha dimostrato per la prima volta l'effetto dell'amplificazione della luce con nanocristalli di seleniuro di cadmio".

La chiave di questa dimostrazione sono state due importanti scoperte fatte a Los Alamos. Uno era la realizzazione che il guadagno ottico non si basa su singoli eccitoni (come in un processo di emissione di luce standard), ma su bieccitoni e altri stati di maggiore molteplicità. L'altra sfida identificata era che il canale di disattivazione primario degli stati bieccitonici era la ricombinazione Auger non radiativa molto veloce per cui i bieccitoni generano calore anziché luce.

Per risolvere queste sfide, I ricercatori di Los Alamos hanno utilizzato solidi di punti quantici densamente impacchettati, che ha permesso loro di aumentare il tasso di emissione stimolata in modo che potesse superare il decadimento di Auger. Ulteriore, hanno impiegato impulsi molto brevi (circa 100 femtosecondi) per popolare i punti quantici con bieccitoni prima che avessero la possibilità di decadere tramite il processo Auger. Questo approccio ha prodotto un risultato tanto atteso:la realizzazione di un'emissione spontanea amplificata, prova di principio per il laser quantum dot colloidale.

La ricombinazione Auger rappresenta ancora un grosso ostacolo per la realizzazione di laser a punti quantici tecnologicamente validi. Un'altra seria sfida è lo sviluppo di dispositivi pratici in grado di sostenere densità di corrente ultraelevate di centinaia di ampere per centimetro quadrato richieste per il laser. La realizzazione di tali strutture è notevolmente complicata dalle scarse proprietà di trasporto di carica dei solidi granulari a punti quantici e dall'elevata resistività degli strati di trasporto di carica elaborati in soluzione. Di conseguenza, i dispositivi si surriscaldano rapidamente a densità di corrente elevate e alla fine si guastano a causa di guasti indotti dal calore.

Per risolvere il problema del danno termico, Los Alamos ha sviluppato una nuova architettura del dispositivo in cui il flusso di corrente era limitato a una piccola area di 50 per 300 micron. Questo approccio focalizzato sulla corrente aumenta la densità di corrente e contemporaneamente riduce il volume di generazione di calore e migliora lo scambio di calore con l'ambiente. Un ulteriore trucco consisteva nel fornire i vettori in brevi raffiche di corrente tra le quali il volume attivo aveva la possibilità di scaricare calore in un mezzo circostante.

Queste misure hanno permesso di aumentare le densità attuali a livelli senza precedenti di circa 1, 000 ampere per centimetro quadrato, miglioramento di oltre cento volte rispetto ai record precedenti. Ciò è stato sufficiente per ottenere un guadagno ottico a banda larga in grado di sostenere il laser su un'ampia gamma di lunghezze d'onda che vanno dal rosso al giallo con un singolo campione di punto quantico.

Un'altra sfida è l'incorporazione di un risonatore ottico in modo che non interrompa i percorsi di iniezione di carica e, allo stesso tempo, mantiene il laser nonostante la presenza di strati di trasporto di carica "con perdita ottica". Anche questo problema è stato recentemente risolto dai ricercatori di Los Alamos.

In particolare, hanno applicato un approccio interessante in cui un risonatore ottico è stato preparato come un reticolo periodico inciso in uno strato che funge da iniettore di elettroni. In questo modo, hanno conservato un'architettura standard di un diodo a emissione di luce (LED) ma l'hanno dotata di una funzione aggiuntiva di dispositivo laser. Le strutture a doppia funzione sviluppate si sono comportate come un LED standard operante sotto pompaggio elettrico e un laser attivato otticamente.

Il passaggio finale consiste nel combinare tutte queste strategie in un unico dispositivo in grado di eseguire il laser con eccitazione elettrica. Dati i recenti progressi nelle architetture ad altissima densità di corrente e le ricette di successo per l'integrazione delle cavità, questo obiettivo sembra essere a portata di mano, suggerendo che i diodi laser a punti quantici colloidali potrebbero presto diventare una realtà.