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《连续波红外光学增益和放大，通过胶态量子点在极低阈值上的自发发射。》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： 郭文姣
  • 发布时间：2017-10-12

  • 胶体量子点(QDs)提高了越来越多的兴趣，作为可溶性和可调的光学增益材料。然而，特别是对于红外有源QDs来说，光学增益仍然是低效率的。由于受激发射涉及多重退化带边状态，只有在高泵功率的情况下才能达到人口反演，且必须与有效的多激子重组相竞争。在这里，我们展示了水星碲化(HgTe)QDs在近红外的电信窗口中所显示的尺寸可调节的辐射，这是之前所研究的任何QD所无法比拟的。我们将这种独特的行为归因于在带宽上的表面局部状态，将HgTe QDs转换为4级系统。由此产生的长时间的人口倒置导致了连续波光泵在功率水平上的放大，与太阳辐射和直接电流的电泵相匹配。这些结果为基于有意陷阱状态的低阈值增益介质提供了一种替代方法，为解决方案处理的红外QD激光器和放大器铺平了道路。

    ——文章发布于2017年10月09日

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  • 《俄极大提高量子点自发发射率 光致发光强度增加近一个数量级》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-09-02
    • 俄罗斯国立核研究大学研究人员首次提高了量子点的自发发射率，并使其。这一成果可用于解决创建量子计算机的关键问题，也可将生物医学监测技术提升到一个新的水平。相关研究发表在最近的《光学快报》上。 量子点是低维荧光纳米结构，在光与物质相互作用领域有着极大应用潜力。量子点能够在非常广的范围内吸收光，在长波的很窄区间发射光，即某一特定的颜色决定一个量子点的“发光”。这些特性使其非常适合生物体的超灵敏多色配准，用于医学诊断。 此外，从照明器材、太阳能电池到量子计算的量子位，都是量子点的应用范畴。量子点在光稳定性和亮度方面优于传统的荧光粉。量子点显示器的亮度和对比度比其他显示器要高得多，且能耗小。 俄罗斯国立核研究大学生物医学工程物理研究所纳米生物工程实验室研究人员，首次在基于多孔硅的光子结构中提升了半导体量子点的光致发光强度和自发发射率。这一成果代表了一种通过改变多孔基质中磷光体的局部电磁环境，来控制自发光的新方法，为生物传感、光电子学、密码学和量子计算的应用开拓了新的前景。 首先，该成果可以作为开发紧凑型荧光生物传感器的良好基础，通过使用光子晶体增强荧光量子点，可显著提高化验分析的灵敏度，进行疾病的早期诊断和治疗。另外，该成果可作为光学计算机或密码系统的新元件，以代替大规模的单光子或光学逻辑元件。在这一领域中，除了紧凑和简单之外，使用该成果还可以解决该行业的关键问题——“按需”获得单光子或量子纠缠。 研究人员帕维尔·萨莫赫瓦洛夫表示，取得该项科研成果的主要原因是使用了光子晶体深度氧化技术，该技术可抑制荧光猝灭，减少吸收损失。要增强此类结构的发光性，有多种方法，其中尤其令人感兴趣的是使用光子晶体。光子晶体的折射率呈周期性变化，可使光子态密度局部增强，从而能够观察到发光材料自发辐射的强度和速度的提升效果。他称，多孔硅被广泛用于光子晶体的制造，可以精确控制折射率，易于制造和吸收，因此与其他材料相比具有优势。 总编辑圈点 量子点是一种特殊的半导体纳米材料，是纳米尺度上原子和分子的集合体。它利用的是半导体能级在尺度极小之后的量子化现象。控制了量子点的大小，就能改变它的能量结构。在光稳定性和亮度方面，量子点的表现优于传统发光材料。这次俄罗斯科学家的主要成果，是提高了量子点的发光强度。发光强度提高后，在作为光学器件时，它的性能表现会更加优越。能有这样的成效，也是因为科研人员使用了光子晶体深度氧化技术，减少了吸收损失。
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  • 《首次实现电驱动胶体量子点受激发射的光放大》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2023-07-17
    • 二十多年来，研究人员一直在尝试通过电泵浦实现胶体量子点激光，毕竟这是其在实际技术中广泛应用的先决条件。虽然传统的激光二极管在电激发下可以产生单色性比较好的相干光，并在实际生活中广泛应用。但它们也有不足之处，比如可扩展性有待提高、发光波长的带宽有待增加以及不易于硅技术兼容，这些因素限制了它在微电子领域的应用。上述问题使得人们在高度灵活和易于扩展的解决方案领域寻找替代品——可加工材料。 因此，化学制备的胶体量子点因其成本低廉、可扩展性强、光学增益阈值低、热稳定性好和发光波长可调谐的优点逐渐走进科学家的视野。 然而，目前仍存在多种挑战阻碍该技术的发展，包括增益有源多载流子态的快速俄歇复合，激光所需的高电流密度下纳米晶体膜的稳定性差以及在复杂的电驱动器件中难以获得净光学增益等。 为了解决这些问题，经过多年努力，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员成功利用基于溶液制造半导体纳米晶体的电驱动装置实现了光放大。其中半导体纳米晶体是通过化学合成制成的微小半导体物质，通常被称为胶体量子点。这项研究为制作一种全新的电泵浦激光设备——高度灵活、溶液可加工的激光二极管奠定了基础。人们通过该技术可以在任何晶体或非晶体衬底上制备，而不需要复杂的真空生长技术或高度控制的洁净室环境。 图 ccg-QDs的光学和光电特性 实验室研究员、量子点研究计划的负责人Victor Klimov表示，通过电驱动胶体量子点实现光放大的能力，已经从他们之前几十年对纳米晶体合成、其光物理性质以及量子点器件的光学和电学设计的研究中出现。他们所设计的“成分渐变”型胶体量子点具有光学增益寿命长、增益系数大以及激光阈值低等特性，这些特性使得其成为一种完美的激光材料。利用溶液制造纳米晶体实现电驱动光放大的方法可能有助于解决在同一硅芯片上集成光子和电子电路的长期挑战，并有望推进照明、显示、量子信息、医疗诊断、化学传感等领域的发展。 然而实现电驱动胶体量子点激光仍需要解决许多技术难题。量子点不仅需要发光，还需要通过受激发射使产生的光子倍增。通过将量子点与光学谐振器相结合，使发射的光往复通过增益介质，这种效应可以转化为激光振荡或激光。 在量子点中，受激发射与非辐射俄歇复合存在竞争，这是目前激光材料的主要挑战。因此，洛斯阿拉莫斯团队设计了一种非常有效的方法，通过在量子点内部引入精心设计的成分梯度来抑制非辐射俄歇复合，从而促进受激辐射的实现。 与此同时，要想实现激光出射，还需要非常高的电流密度，但这有可能对设备造成损害。洛斯阿拉莫斯主任、该项目主要负责人Namyoung Ahn表示，一个典型的量子点发光二极管在电流密度不超过每平方厘米1安培的情况下工作，激光的实现通常需要每平方厘米几十到几百安培，这有可能会使设备过热而发生故障，该问题一直阻碍电泵浦激光的实现。 为了解决过热问题，该团队将电流限制在空间和时间域中，最终减少了产生的热量，同时改善了与周围介质的热交换。他们在器件堆栈中加入了一个带有小电流聚焦孔径的绝缘中间层，并使用短电脉冲(持续时间约为1微秒)来驱动LED。最终该器件的电流密度高达每平方厘米约2000安培，足以在多个量子点光学跃迁之间产生强大的宽带光学增益。 实验室博士后研究员Clément Livache表示，更深层的挑战则是在包含各种电荷导电层的完整LED器件中实现光学增益和光学损耗之间的平衡。为此，他们在器件中增加了一堆介电双层，形成了所谓的分布式布拉格反射器。使用布拉格反射器作为底层衬底，研究人员能够控制电场在器件上的空间分布，并对其进行调制，从而降低光学损耗电荷导电层中的场强度，并增强量子点增益介质中的场强度。 通过这些创新，该团队最终实现了学术界几十年来追求的目标——电泵浦胶体量子点的放大自发发射(ASE)。ASE型量子点LED可以用作窄带光源，在显示器、投影仪、成像等领域具有很高的应用价值。目前，研究团队正致力于用电泵浦量子点实现激光振荡，以及器件的光谱覆盖范围，重点是红外波长范围内的电驱动光放大。
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