دو در یک: نقطه‌های کوانتومی قابلیت‌های لیزر و LED را ترکیب می‌کند

دو در یک: نقطه‌های کوانتومی قابلیت‌های لیزر و LED را ترکیب می‌کند

محققان آزمایشگاهی فناوری لیزر نقطه کوانتومی کلوئیدی را به دستگاه آماده نزدیک‌تر می‌کنند.

محققان آزمایشگاه ملی لوس آلاموس پیشرفت قابل توجهی در توسعه ساطع کننده های نور با شدت بالا با استفاده از فناوری نقاط کوانتومی کلوئیدی داشته اند و دستگاه های دو کاره با سطوح روشنایی بی سابقه ای ایجاد کرده اند. این پیشرفت می تواند زمینه های مختلفی از جمله الکترونیک یکپارچه، فوتونیک و تشخیص پزشکی را تحت تاثیر قرار دهد و دیودهای لیزر نقطه کوانتومی کاربردی را به واقعیت نزدیکتر کند.

یک تیم آزمایشگاه ملی لس آلاموس بر چالش‌های کلیدی در قبال ساطع‌کننده‌های نور با شدت بالا از نظر فناوری مبتنی بر فناوری نقاط کوانتومی کلوئیدی غلبه کرده‌اند و در نتیجه دستگاه‌هایی با عملکرد دوگانه ایجاد می‌کنند که هم به‌عنوان یک لیزر برانگیخته نوری و هم به‌عنوان یک دیود ساطع کننده نور با هدایت الکتریکی با روشنایی بالا عمل می‌کنند. (رهبری).

همانطور که در مجله Advanced Materials توضیح داده شد، این پیشرفت نشان دهنده نقطه عطف کلیدی به سمت لیزر نقطه کوانتومی کلوئیدی با پمپ الکتریکی یا دیود لیزری است، نوع جدیدی از دستگاه‌هایی که تاثیر آن بر روی فناوری‌های متعددی از جمله الکترونیک یکپارچه و فوتونیک، اتصالات نوری، آزمایشگاهی و … پلتفرم‌های روی تراشه، دستگاه‌های پوشیدنی و تشخیص‌های پزشکی.

ویکتور کلیموف، دانشمند بخش شیمی لس آلاموس و سرپرست تیم در این تحقیق، گفت: “جستجو برای دیودهای لیزر نقطه کوانتومی کلوئیدی بخشی از تلاش جهانی با هدف تحقق لیزرها و تقویت کننده های پمپ شده الکتریکی بر اساس مواد قابل پردازش با محلول است.” این دستگاه‌ها به دلیل سازگاری با تقریباً هر بستر، مقیاس‌پذیری و سهولت ادغام با الکترونیک روی تراشه و فوتونیک از جمله مدارهای سنتی مبتنی بر سیلیکون دنبال شده‌اند.

همانند یک LED استاندارد، در دستگاه های جدید تیم، لایه نقطه کوانتومی به عنوان یک ساطع کننده نور فعال الکتریکی عمل می کند. با این حال، به دلیل چگالی جریان بسیار بالای بیش از 500 آمپر بر سانتی‌متر مربع، دستگاه‌ها سطوح بی‌سابقه‌ای از روشنایی بیش از یک میلیون کاندلا در هر متر مربع را نشان دادند (کاندلا قدرت نوری ساطع شده در یک جهت معین را اندازه‌گیری می‌کند). این روشنایی آنها را برای کاربردهایی مانند نمایشگرهای روز، پروژکتورها و چراغ های راهنمایی مناسب می کند.  

لایه نقطه کوانتومی همچنین به عنوان یک تقویت کننده موجبر کارآمد با بهره نوری خالص بزرگ عمل می کند. تیم Los Alamos به لیزر باند باریک با یک پشته دستگاه کاملاً کاربردی از نوع LED که شامل تمام لایه‌های انتقال بار و سایر عناصر مورد نیاز برای پمپاژ الکتریکی است، دست یافت. این پیشرفت در را به روی نمایش بسیار مورد انتظار لیزر با پمپاژ الکتریکی باز می کند، اثری که امکان تحقق کامل فناوری لیزر نقطه کوانتومی کلوئیدی را فراهم می کند.

نقاط کوانتومی کلوئیدی

نانوبلورهای نیمه هادی – یا نقاط کوانتومی کلوئیدی – مواد جذابی برای اجرای دستگاه های لیزر از جمله دیودهای لیزر هستند. آنها را می توان با دقت اتمی از طریق تکنیک های شیمیایی در دمای متوسط ​​تهیه کرد.

علاوه بر این، نقاط کوانتومی به دلیل ابعاد کوچکشان که با گستره طبیعی توابع موج الکترونیکی قابل مقایسه است، حالت های الکترونیکی اتمی مانند گسسته ای را نشان می دهند که انرژی آنها مستقیماً به اندازه ذرات بستگی دارد. این پیامد اثر به اصطلاح “اندازه کوانتومی” را می توان برای تنظیم خط لیزر به طول موج مورد نظر یا طراحی یک رسانه افزایش چند رنگی که از لیزر در طول موج های متعدد پشتیبانی می کند، استفاده کرد. مزایای اضافی حاصل از یک طیف اتمی عجیب و غریب از حالت‌های الکترونیکی نقاط کوانتومی شامل آستانه بهره نوری پایین و حساسیت سرکوب شده ویژگی‌های لیزر به تغییرات دمای دستگاه است.

طراحی نوآورانه برای حل چالش های پمپاژ الکتریکی

اکثر تحقیقات لیزر نقطه کوانتومی از پالس های نوری کوتاه برای تحریک یک محیط بهره نوری استفاده کرده اند. تحقق لیزر با نقاط کوانتومی رانده الکتریکی کار بسیار چالش برانگیزی است. تیم تحقیقاتی Los Alamos با دستگاه های جدید خود گام مهمی در جهت این هدف برداشتند.

نامیونگ آن، یکی از همکاران فوق دکتری مدیر آزمایشگاه و کارشناس ارشد دستگاه در تیم نقاط کوانتومی، گفت: «یک چالش در زمینه طراحی دستگاه های الکتریکی و نوری است. به طور خاص، معماری تزریق شارژ دستگاه باید قادر به تولید و حفظ چگالی جریان بسیار بالا مورد نیاز برای عمل لیزر باشد. همین دستگاه همچنین باید تلفات نوری پایینی از خود نشان دهد تا بهره تولید شده در یک محیط فعال نقطه کوانتومی نازک را سرکوب نکند.

برای افزایش بهره نوری، این تیم نانوکریستال های جدیدی را توسعه دادند که آنها را «نقاط کوانتومی درجه بندی شده ترکیبی فشرده» نامیدند.

Clément Livache، متخصص در زمینه نقطه کوانتومی، می گوید: «این نقاط کوانتومی جدید به دلیل یک گرادیان ترکیبی داخلی، از نوترکیبی اوگر سرکوب شده برخوردارند و به طور همزمان ضریب بهره زیادی را هنگام جمع آوری در یک جامد بسته بندی شده نزدیک که به عنوان یک رسانه بهره نوری استفاده می شود، نشان می دهند. تیمی که مطالعات طیف سنجی دستگاه های ساخته شده را انجام دادند. این به تحقق بهره نوری خالص در یک ساختار پیچیده الکترولومینسانس کمک می کند که در آن یک لایه نقطه کوانتومی نازک و تقویت کننده نور با چندین لایه رسانای بار جذب کننده نور ترکیب شده است.

برای تسهیل تقویت نور، محققان همچنین تلفات نوری را در دستگاه های خود کاهش دادند. به طور خاص، آنها معماری تزریق بار را با حذف مواد فلز مانند با تلفات نوری و جایگزینی آنها با لایه‌های آلی با جذب کم بهینه‌سازی شده دوباره طراحی کردند. علاوه بر این، آنها یک پروفیل سطح مقطع دستگاه را طوری مهندسی کردند که شدت میدان نوری را در لایه‌های انتقال بار بسیار جذبی کاهش دهد و همزمان آن را در محیط افزایش نقطه کوانتومی تقویت کند.

در نهایت، برای فعال کردن نوسانات لیزری، دستگاه‌های توسعه‌یافته توسط یک حفره نوری که به‌عنوان یک توری دوره‌ای آماده شده بود تکمیل شد که در یکی از الکترودهای دستگاه ادغام شده بود. این توری به عنوان یک تشدید کننده بازخورد توزیع شده عمل می کند که امکان گردش نور در صفحه جانبی لایه کوانتومی را فراهم می کند و امکان تقویت چند گذری را فراهم می کند. 

چالش نهایی

اثر لیزر با استفاده از تحریک نوری به دست آمد. لیزر با استفاده از پمپاژ الکتریکی به دلیل کاهش عملکرد دستگاه ناشی از گرمای بیش از حد تولید شده توسط جریان عبوری مشاهده نشد. این آخرین چالشی است که باید برای نشان دادن نوسانات لیزری الکتریکی مورد توجه قرار گیرد.

همین چند سال پیش، لیزرهای نقطه کوانتومی کلوئیدی با پمپ الکتریکی به دلیل مشکلاتی مانند فروپاشی فوق سریع اوگر، چگالی جریان ناکافی در LED های نقطه کوانتومی و مشکلات در ترکیب عملکردهای الکترولومینسانس و لیزر در یک دستگاه، به طور گسترده غیرممکن تلقی می شدند. نتایج تیم نقطه کوانتومی لوس آلاموس راه‌حل‌های عملی را برای بسیاری از این مشکلات نشان می‌دهد و نشان می‌دهد که یک دیود لیزری نقطه کوانتومی عملکردی نزدیک است.

اشتراک گذاری پست

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *