コロイド量子ドットレーザーの最近の研究の進歩

Maims Consultingの報告によると、米国ノースカロライナ州のロスアラモス国立研究所（LANL）の科学者は、コロイド量子ドットレーザーの研究状況と開発の見通しを評価しました。 Nature Photonicsに掲載されたこの研究では、電気励起レーザーの開発の課題を分析し、これらの課題を克服する方法を提案しました。

「コロイド量子ドットレーザーは、集積光回路、ウェアラブルテクノロジー、ラボオンチップ、高度な医療画像および診断など、さまざまなアプリケーションで大きな可能性を秘めています。」LANL化学部門主任研究員Victor Klimovによるコメント、論文の筆頭著者。

半導体レーザー（またはレーザーダイオード）は、電気通信、科学研究、医学、宇宙探査機器で使用される多くの一般的な消費者製品および主要コンポーネントです。通常、極薄の半導体フィルムまたは量子ウェル構造を使用し、原子堆積によって徐々に堆積されます。真空環境。層が成長します。
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この成長方法は、材料特性の正確な制御を必要とするだけでなく、高い環境清浄度も必要とします。さらに、レーザー媒体およびベース基板として使用できる互換性のある材料はごくわずかです。 LANLは、特に互換性の問題により、既存の半導体レーザーと標準的なシリコンベースのマイクロエレクトロニクスデバイスの統合が非常に複雑になると指摘しました。

クリモフ氏は次のように述べています。「原則として、上記の問題は低コストのソリューションで実装されたレーザー送信機で解決できます。特に、標準的な量子井戸の魅力的な代替手段は、ベンチトップコロイド化学による半導体粒子の調製です。」

標準的な湿式化学実験室では、コロイド量子ドットは安価な既存の前駆体を使用してバッチで合成されます。さらに、ほとんどすべての基板と組み合わせることができるため、シリコンベースのマイクロエレクトロニクスデバイスの互換性の問題が解決され、従来のレーザーダイオードでは開けられなかった新しいアプリケーション分野が開かれます。

コロイド状ナノ結晶のユニークな量子特性には、追加の利点もあります。特に超小型であるため、ナノ結晶のサイズを調整することで発光波長を調整するのに非常に便利で、レーザーダイオードの波長範囲が非常に広くなっています。

クリモフ氏は次のように述べています。「多くの潜在的な利点がありますが、コロイド量子ドットは非常に難しいレーザー材料です。1990年代初頭以来、高品質のナノ結晶が利用可能です。しかし、LANLチームが最初にセレン化カドミウムの使用を実証したのは2000年頃でした。ナノ結晶。光増幅効果が確認され、以前の方法を使用しなくなりました。」
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LANLの研究者は、高密度の固体量子ドットを使用して、誘導放出速度を上げました。これは、オージェ崩壊を超えるのに十分です。さらに、量子ドットが崩壊する前に、それらは非常に短い（約100 fs）パルスを使用して、量子ドットを二重励起子で満たします。この方法は、待望の結果を生み出しました。それは、増幅された自然放出の実現であり、コロイド量子ドットレーザーの原理を証明しました。





オージェ再結合は、技術的に実現可能な量子ドットレーザーを実現する上での主要な問題です。もう1つの深刻な課題は、レーザーに必要な1平方センチメートルあたり数百アンペアの超高電流密度を維持する実用的なデバイスを開発することです。

粒子量子ドット固体は電荷輸送特性が悪く、溶液処理された電荷輸送層は抵抗が大きいため、この構造の実現は非常に複雑です。したがって、デバイスは高電流密度下で急速に熱くなり、最終的に熱破壊障害を引き起こします。

熱損傷の問題を解決するために、LANLは電流を50〜300ミクロンの小さな領域に制限する新しいデバイスアーキテクチャを開発しました。この「電流集束」法は、発熱を減らし、環境との熱交換を改善しながら、電流密度を高めることができます。






別の課題は、「光損失」電荷輸送層にもかかわらずレーザーを維持しながら、電荷注入回路に干渉しないように光共振器を使用することです。この問題は最近LANLの研究者によって解決されました。

チームは、光共振器を電子注入層にエッチングされた周期的な格子として製造するという興味深い方法を適用しました。このように、彼らは発光ダイオードの標準的な構造を保持しましたが、彼らにレーザーの追加機能を与えました。開発された二重機能構造は、電子的に励起された標準LEDおよび光励起レーザーとして機能します。

最後のステップは、すべての方法を、電気励起下でレーザー光を生成できる単一のデバイスに統合することです。超高電流密度構造の最新の開発と成功したキャビティ統合プロセスメニュー開発を考慮すると、この目標は達成可能であり、コロイド量子ドットレーザーダイオードはまもなく実現する可能性があります。