Los ingenieros desarrollan doble

27 de marzo de 2023

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por el Laboratorio Nacional de Los Álamos

Un equipo del Laboratorio Nacional de Los Álamos ha superado desafíos clave para lograr emisores de luz de alta intensidad tecnológicamente viables basados ​​en la tecnología de puntos cuánticos coloidales, lo que ha dado como resultado dispositivos de doble función que funcionan como un láser ópticamente excitado y un diodo emisor de luz de alto brillo impulsado eléctricamente. (CONDUJO).

Como se describe en la revista Advanced Materials, este avance representa un hito clave hacia un láser de punto cuántico coloidal bombeado eléctricamente o un diodo láser, un nuevo tipo de dispositivos cuyo impacto abarcaría numerosas tecnologías, incluidas la electrónica y la fotónica integradas, las interconexiones ópticas, la tecnología de laboratorio. Plataformas -a-chip, dispositivos portátiles y diagnóstico médico.

"La búsqueda de diodos láser de puntos cuánticos coloidales representa parte de un esfuerzo mundial destinado a realizar amplificadores y láseres bombeados eléctricamente basados ​​en materiales procesables en solución", dijo Victor Klimov, científico de la división de Química de Los Álamos y líder del equipo de la investigación. "Estos dispositivos han sido buscados por su compatibilidad con prácticamente cualquier sustrato, escalabilidad y facilidad de integración con electrónica y fotónica en chip, incluidos los circuitos tradicionales basados ​​en silicio".

Al igual que en un LED estándar, en los nuevos dispositivos del equipo, la capa de puntos cuánticos actuaba como un emisor de luz accionado eléctricamente. Sin embargo, debido a las densidades de corriente extremadamente altas, de más de 500 amperios por centímetro cuadrado, los dispositivos demostraron niveles de brillo sin precedentes de más de un millón de candelas por metro cuadrado (las candelas miden la potencia luminosa emitida en una dirección determinada). Este brillo los hace muy adecuados para aplicaciones como pantallas de luz diurna, proyectores y semáforos.

La capa de puntos cuánticos también se comportó como un eficiente amplificador de guía de ondas con una gran ganancia óptica neta. El equipo de Los Álamos logró láser de banda estrecha con una pila de dispositivos tipo LED completamente funcional que contiene todas las capas de transporte de carga y otros elementos necesarios para el bombeo eléctrico. Este avance abre la puerta a la tan esperada demostración del láser con bombeo eléctrico, efecto que permitirá la plena realización de la tecnología láser de puntos cuánticos coloidales.

Los nanocristales semiconductores (o puntos cuánticos coloidales) son materiales atractivos para implementar dispositivos láser, incluidos los diodos láser. Se pueden preparar con precisión atómica mediante técnicas químicas de temperatura moderada.

Además, debido a sus pequeñas dimensiones, comparables a la extensión natural de las funciones de onda electrónicas, los puntos cuánticos exhiben estados electrónicos discretos de tipo atómico cuyas energías dependen directamente del tamaño de las partículas. Esta consecuencia del llamado efecto de "tamaño cuántico" se puede aprovechar para sintonizar la línea láser a una longitud de onda deseada o para diseñar un medio de ganancia multicolor que admita el láser en múltiples longitudes de onda. Las ventajas adicionales derivadas de un peculiar espectro atómico de estados electrónicos de puntos cuánticos incluyen umbrales de ganancia óptica bajos y sensibilidad suprimida de las características del láser a los cambios en la temperatura del dispositivo.

La mayoría de las investigaciones sobre láser de puntos cuánticos han empleado pulsos ópticos cortos para excitar un medio de ganancia óptica. La realización de láser con puntos cuánticos impulsados ​​eléctricamente es una tarea mucho más desafiante. Con sus nuevos dispositivos, el equipo de investigación de Los Álamos dio un paso importante hacia este objetivo.

"Un desafío radica en el área de los diseños de dispositivos eléctricos y ópticos", dijo Namyoung Ahn, becario postdoctoral del director del laboratorio y experto principal en dispositivos del equipo de puntos cuánticos. "En particular, la arquitectura de inyección de carga del dispositivo debe ser capaz de generar y mantener densidades de corriente muy altas requeridas para la acción del láser. El mismo dispositivo también debe exhibir bajas pérdidas ópticas para no suprimir la ganancia generada en un medio activo de punto cuántico delgado".

Para aumentar la ganancia óptica, el equipo desarrolló nuevos nanocristales a los que denominaron "puntos cuánticos compactos de composición graduada".

"Estos nuevos puntos cuánticos presentan una recombinación Auger suprimida debido a un gradiente compositivo incorporado y simultáneamente exhiben un gran coeficiente de ganancia cuando se ensamblan en un sólido muy compacto utilizado como medio de ganancia óptica", dijo Clément Livache, postdoctorado en el punto cuántico. equipo que realizó estudios espectroscópicos de los dispositivos fabricados. "Esto ayuda a lograr una ganancia óptica neta en una estructura electroluminiscente compleja en la que una delgada capa de puntos cuánticos que amplifica la luz se combina con múltiples capas conductoras de carga que absorben la luz".

Para facilitar la amplificación de la luz, los investigadores también redujeron las pérdidas ópticas en sus dispositivos. En particular, rediseñaron la arquitectura de inyección de carga eliminando materiales similares a metales con pérdidas ópticas y reemplazándolos con capas orgánicas de baja absortividad adecuadamente optimizadas. Además, diseñaron un perfil de sección transversal del dispositivo para reducir la intensidad del campo óptico en capas de transporte de carga altamente absorbentes y, simultáneamente, mejorarla en el medio de ganancia de puntos cuánticos.

Finalmente, para permitir las oscilaciones del láser, los dispositivos desarrollados se complementaron con una cavidad óptica preparada como una rejilla periódica que se integró en uno de los electrodos del dispositivo. Esta rejilla actuó como un resonador de retroalimentación distribuida que permitió que la luz circulara en el plano lateral de la capa de puntos cuánticos, lo que permitió la amplificación de múltiples pasos.

El efecto láser se logró empleando excitación óptica. No se observó láser mediante bombeo eléctrico debido a la degradación del rendimiento del dispositivo causada por el calor excesivo generado por el paso de una corriente. Este es el último desafío que debe abordarse para demostrar las oscilaciones láser impulsadas eléctricamente.

Hace apenas unos años, los láseres de puntos cuánticos coloidales bombeados eléctricamente se consideraban imposibles debido a problemas como la desintegración ultrarrápida de Auger, densidades de corriente insuficientes en los LED de puntos cuánticos y dificultades para combinar funciones electroluminiscentes y láser en el mismo dispositivo. Los resultados del equipo de puntos cuánticos de Los Álamos demuestran soluciones prácticas a la mayoría de estos problemas, lo que sugiere que un diodo láser de puntos cuánticos funcional está al alcance de la mano.

Más información: Namyoung Ahn et al, Láser excitado ópticamente en un dispositivo electroluminiscente de puntos cuánticos de alta densidad de corriente y basado en cavidades, Materiales avanzados (2022). DOI: 10.1002/adma.202206613

Información de la revista:Materiales avanzados

Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Los Álamos