Gli ingegneri sviluppano il doppio

27 marzo 2023

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dal Laboratorio Nazionale di Los Alamos

Un team del Los Alamos National Laboratory ha superato sfide chiave verso emettitori di luce ad alta intensità tecnologicamente sostenibili basati sulla tecnologia colloidale dei punti quantici, dando vita a dispositivi a doppia funzione che funzionano sia come laser eccitato otticamente che come diodo emettitore di luce ad alta luminosità azionato elettricamente (GUIDATO).

Come descritto nella rivista Advanced Materials, questo progresso rappresenta una pietra miliare verso un laser colloidale a punti quantici pompato elettricamente o un diodo laser, un nuovo tipo di dispositivi il cui impatto abbraccerebbe numerose tecnologie tra cui l'elettronica integrata e la fotonica, le interconnessioni ottiche, le tecnologie di laboratorio -piattaforme a-chip, dispositivi indossabili e diagnostica medica.

"La ricerca di diodi laser colloidali a punti quantici rappresenta parte di uno sforzo mondiale volto a realizzare laser e amplificatori pompati elettricamente basati su materiali processabili in soluzione", ha affermato Victor Klimov, scienziato della divisione di chimica di Los Alamos e leader del team della ricerca. "Questi dispositivi sono stati ricercati per la loro compatibilità praticamente con qualsiasi substrato, scalabilità e facilità di integrazione con l'elettronica e la fotonica su chip, compresi i tradizionali circuiti basati sul silicio."

Come in un LED standard, nei nuovi dispositivi del team, lo strato di punti quantici fungeva da emettitore di luce azionato elettricamente. Tuttavia, a causa della densità di corrente estremamente elevata di oltre 500 ampere per centimetro quadrato, i dispositivi hanno dimostrato livelli di luminosità senza precedenti di oltre un milione di candele per metro quadrato (la candela misura la potenza luminosa emessa in una determinata direzione). Questa luminosità li rende particolarmente adatti per applicazioni quali display diurni, proiettori e semafori.

Lo strato di punti quantici si è comportato anche come un efficiente amplificatore di guida d'onda con un ampio guadagno ottico netto. Il team di Los Alamos ha ottenuto l'effetto laser a banda stretta con uno stack di dispositivi di tipo LED completamente funzionale contenente tutti gli strati di trasporto della carica e altri elementi necessari per il pompaggio elettrico. Questo progresso apre le porte all’attesissima dimostrazione dell’uso del laser con pompaggio elettrico, l’effetto che consentirà la piena realizzazione della tecnologia laser colloidale a punti quantici.

I nanocristalli semiconduttori, o punti quantici colloidali, sono materiali interessanti per l’implementazione di dispositivi laser, compresi i diodi laser. Possono essere preparati con precisione atomica tramite tecniche chimiche a temperatura moderata.

Inoltre, a causa delle loro piccole dimensioni, paragonabili all’estensione naturale delle funzioni d’onda elettroniche, i punti quantici mostrano stati elettronici discreti di tipo atomico le cui energie dipendono direttamente dalla dimensione delle particelle. Questa conseguenza di un cosiddetto effetto di "dimensione quantica" può essere sfruttata per sintonizzare la linea laser su una lunghezza d'onda desiderata o per progettare un mezzo di guadagno multicolore che supporti il ​​laser a più lunghezze d'onda. Ulteriori vantaggi derivati ​​da uno spettro peculiare di tipo atomico degli stati elettronici dei punti quantici includono basse soglie di guadagno ottico e sensibilità soppressa delle caratteristiche del laser ai cambiamenti nella temperatura del dispositivo.

La maggior parte delle ricerche sul laser a punti quantici ha utilizzato brevi impulsi ottici per eccitare un mezzo di guadagno ottico. La realizzazione del laser con punti quantici azionati elettricamente è un compito molto più impegnativo. Con i loro nuovi dispositivi, il gruppo di ricerca di Los Alamos ha fatto un passo importante verso questo obiettivo.