Dans un nouvel article de revue dans Nature Photonics, des scientifiques du Laboratoire national de Los Alamos évaluent l'état de la recherche sur les lasers à points quantiques colloïdaux en mettant l'accent sur les futurs dispositifs à pompage électrique, ou des diodes laser. La revue analyse les défis pour réaliser le laser avec excitation électrique, discute des approches pour les surmonter, et passe en revue les progrès récents vers cet objectif.

« Les lasers à points quantiques colloïdaux ont un potentiel énorme dans une gamme d'applications, y compris les circuits optiques intégrés, technologies portables, appareils de laboratoire sur puce, et l'imagerie médicale et le diagnostic de pointe, " dit Victor Klimov, chercheur principal dans la division de chimie de Los Alamos et auteur principal de l'article de couverture dans Photonique de la nature . "Ces diodes laser à points quantiques traitées en solution présentent des défis uniques, que nous progressons bien à surmonter."

Heeyoung Jung et Namyoung Ahn, également de la division Chimie de Los Alamos, sont co-auteurs.

Lasers à semi-conducteurs, ou des diodes laser, sont une partie essentielle de nombreux produits de consommation courants ainsi que des équipements sophistiqués utilisés dans les télécommunications, recherche scientifique, Médicament, et l'exploration spatiale. D'habitude, ces dispositifs utilisent des films semi-conducteurs ultrafins, ou puits quantiques, développé par dépôt atomique couche par couche sous vide.

Tout en permettant un contrôle exquis des propriétés du matériau, cette méthode de croissance est très exigeante et nécessite un environnement de salle blanche. En outre, il est limité à un nombre assez restreint de matériaux mutuellement compatibles utilisés comme milieu laser et substrat sous-jacent. Spécifiquement, les problèmes de compatibilité compliquent grandement l'intégration des lasers à semi-conducteurs existants avec la microélectronique standard à base de silicium.

« Ces problèmes peuvent, en principe, être résolus avec des émetteurs de lumière peu coûteux pouvant être traités en solution, " dit Klimov. " En particulier, une alternative intéressante aux puits quantiques standard est constituée de particules semi-conductrices préparées par chimie colloïdale de paillasse. »

De nombreuses étapes clés directement pertinentes pour le développement des lasers à points quantiques colloïdaux ont été franchies à Los Alamos, dans l'équipe Nanotechnologie et Spectroscopie Avancée de la division Chimie. Cette équipe est engagée dans la recherche de pointe sur les points quantiques depuis plus de deux décennies et a été responsable de nombreuses contributions dans les domaines de la synthèse des points quantiques, leurs études fondamentales et leurs applications de dispositifs.

Les points quantiques colloïdaux peuvent être synthétisés en grandes quantités dans un laboratoire de chimie humide standard en utilisant des précurseurs facilement disponibles. Plus loin, ils peuvent être combinés avec pratiquement n'importe quel substrat qui résoudrait le problème de compatibilité avec la microélectronique silicium et ouvrirait de nouveaux domaines d'applications inaccessibles avec les diodes laser traditionnelles.

La nature quantique unique des nanocristaux colloïdaux présente également des avantages supplémentaires. En particulier, en raison de leurs tailles ultra-petites, leur longueur d'onde d'émission peut être facilement ajustée en faisant varier les dimensions des nanocristaux. Cette puissante capacité pourrait permettre des diodes laser avec une gamme ultra-large de couleurs accessibles. Plus loin, la structure discrète des états de type atomique à points quantiques inhibe le dépeuplement thermique des états d'émission d'énergie les plus faibles et réduit ainsi les seuils d'émission laser et améliore la stabilité de température d'un dispositif laser.

"Malgré ces avantages potentiels, les points quantiques colloïdaux sont des matériaux laser difficiles, " a déclaré Klimov. "Des nanocristaux de haute qualité sont disponibles depuis le début des années 90. Cependant, ils ne dureraient que vers 2000, lorsque notre équipe de Los Alamos a démontré pour la première fois l'effet de l'amplification de la lumière avec des nanocristaux de séléniure de cadmium."

La clé de cette démonstration était deux découvertes importantes faites à Los Alamos. L'un était la réalisation que le gain optique ne repose pas sur des excitons uniques (comme dans un processus d'émission de lumière standard), mais sur les biexcitons et autres états de multiplicité plus élevée. L'autre défi identifié était que le canal de désactivation primaire des états de biexcitons était une recombinaison Auger non radiative très rapide, par laquelle les biexcitons génèrent de la chaleur au lieu de la lumière.

Pour relever ces défis, Les chercheurs de Los Alamos ont utilisé des solides de points quantiques densément emballés, ce qui leur a permis d'augmenter le taux d'émission stimulée afin qu'il puisse dépasser la décroissance Auger. Plus loin, ils ont utilisé des impulsions très courtes (environ 100 femtosecondes) pour peupler les points quantiques de biexcitons avant qu'ils aient une chance de se désintégrer via le processus Auger. Cette approche a produit un résultat tant attendu :la réalisation d'une émission spontanée amplifiée, preuve de principe pour le laser à points quantiques colloïdaux.

La recombinaison Auger représente toujours un obstacle majeur à la réalisation de lasers à points quantiques technologiquement viables. Un autre défi sérieux est le développement de dispositifs pratiques qui peuvent supporter des densités de courant ultra-élevées de centaines d'ampères par centimètre carré requises pour le laser. La réalisation de telles structures est grandement compliquée par les mauvaises propriétés de transport de charge des solides granulaires à points quantiques et la résistivité élevée des couches de transport de charge traitées en solution. Par conséquent, les appareils sont rapidement surchauffés à des densités de courant élevées et finissent par tomber en panne en raison d'une panne induite par la chaleur.

Pour résoudre le problème des dommages thermiques, Los Alamos a développé une nouvelle architecture de dispositif dans laquelle le flux de courant était limité à une petite zone de 50 sur 300 microns. Cette approche de focalisation du courant augmente la densité de courant et réduit simultanément le volume de génération de chaleur et améliore l'échange de chaleur avec l'environnement. Une astuce supplémentaire consistait à fournir des porteurs dans de courtes rafales de courant entre lesquelles le volume actif avait une chance de déverser de la chaleur dans un milieu environnant.

Ces mesures ont permis d'augmenter les densités actuelles à des niveaux sans précédent d'environ 1, 000 ampères par centimètre carré, plus d'une amélioration par cent par rapport aux records précédents. Cela était suffisant pour obtenir un gain optique à large bande capable de maintenir le laser sur une large gamme de longueurs d'onde allant du rouge au jaune avec un seul échantillon de points quantiques.

Un autre défi est l'incorporation d'un résonateur optique afin qu'il ne perturbe pas les voies d'injection de charges et, à la fois, maintient l'effet laser malgré la présence de couches de transport de charge "à perte optique". Ce problème a également été récemment résolu par les chercheurs de Los Alamos.

En particulier, ils ont appliqué une approche intéressante dans laquelle un résonateur optique a été préparé comme un réseau périodique gravé dans une couche servant d'injecteur d'électrons. De cette façon, ils ont conservé une architecture standard de diode électroluminescente (LED) mais l'ont dotée d'une fonction supplémentaire de dispositif laser. Les structures à double fonction développées fonctionnaient comme une LED standard fonctionnant sous pompage électrique et un laser activé optiquement.

L'étape finale consiste à combiner toutes ces stratégies dans un seul dispositif capable de produire un effet laser avec une excitation électrique. Compte tenu des avancées récentes dans les architectures à très haute densité de courant et des recettes réussies pour l'intégration de cavités, cet objectif semble à portée de main, suggérant que les diodes laser à points quantiques colloïdaux pourraient bientôt devenir une réalité.