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【天富招商】研究新突破!电驱动量子点随机激光器即将问世!

随机激光器的许多独特优势集中于努力实现从光泵浦到电泵浦的突破。然而,由于高的光损耗和低的增益,这些方面的进展受到限制。在这项工作中,研究人员展示了一种基于可见光的电泵浦量子点(QD)随机激光器,该激光器基于以前未开发的名为相干福斯特共振能量转移(CFRET)的范例。在CFRET过程中,当由于在混合施主和受主QD中传播的发射光的多次散射而形成相干光子模式时,施主QD不仅充当散射中心,而且还能够将相干能量转移到受主QD。因此,可以容易地实现激光作用,并且大大降低了激光阈值。

随机激射是激光发射过程使光散射无序系统并导致干扰,光学增益,以及激光。无序系统可以由具有多个散射中心的光学材料构成,与通常需要严格设计腔体并使制造过程复杂化的传统激光器相比,它更易于制造。利用激光系统的这些优点,不仅可以显着降低随机激光的成本,还可以抑制激光模式的空间相干性,从而使其适合许多潜在应用,例如可见光无斑点成像和随机超分辨率光谱。此外,根据散射随机激光器具有宽的角分布,其是用于照明,成像,显示技术,生物医学诊断,以及可见光通信。

此外,由于量子点(QD)的高效量子产率,可调谐波长和成本效益,它们在发光器的开发方面具有巨大潜力。众所周知,在QD中需要多激子增益才能实现总体反转。在这种情况下,非辐射俄歇过程得以增强,这限制了光学增益并增加了激光阈值。因此,尽管由于量子限制效应而使胶体量子点具有高效的光致发光(PL),并且基于量子点的电泵浦随机激光作用的研究引起了极大的关注,但所有尝试均未能证明这一令人兴奋的期望。相关论文以题为“Coherent Förster resonance energy transfer: A new paradigm for electrically driven quantum dot random lasers”与北京时间2020年10月07号发表在《Science Advances》上。

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在这项研究中,研究人员成功地证明了第一台基于量子相干Förster共振能量转移的电驱动QD随机激光器在630 nm处的可见光发射。胶体纳米晶体量子点被认为是下一代激光设备的纳米发射体。QD的使用通过仅改变QD的尺寸即可提供激光波长选择的灵活性,以及其他优点,包括强大的光学增益,低激射阈值,具有低成本合成的制造方式功能以及由于解决方案而在批量生产中具有可扩展性-基于特征。Förster共振能量转移(FRET)涉及通过偶极-偶极相互作用从能量供体到相邻能量受体的非辐射能量耦合,已在已发表的研究中得到充分表征,并显示出其在许多领域的潜在价值,包括生物传感,太阳能收集和生物分子构象研究。CFRET的基本机制是将FRET工艺与由多次散射形成的相干光子模式耦合,这可以提高光学增益并同时增强散射,从而为发生激光作用提供强大的相干反馈。

以下FRET的原理,用具有适当的吸收和发射光谱两种不同尺寸的量子点被选择作为能量供体和受体,通过该更高的光学增益可以实现。另外,自组装的QD簇可以充当散射中心,以诱导多重散射以形成相干的环。因此,供体量子点同时扮演着两个重要角色,包括充当散射中心和相干地传递能量。此外,为了实现电泵浦QD激光器,需要适当设计电子和空穴传输层(HTL)。通过结合上述所有重要因素,已成功展示了具有高发射强度,角度独立性和高稳定性的基于QD的随机激光器。

QD随机激光器的结构和电性能

图1A显示了基于QD的随机激光器的示意图。该设备在氧化铟锡(ITO)玻璃基板和溶液处理的HTL上制造,该HTL由聚(乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS),聚[ N,N 9-双(4-丁基苯基)-N,N 9-双(苯基)-联苯胺](poly-TPD),聚(9-乙烯基咔唑)(PVK),50nm厚的具有两种不同尺寸的CdSe QD混合物层和ZnO纳米颗粒层(160) -nm厚作为电子传输层。随机激光器的扫描电子显微镜(SEM)截面图如图1B所示,显然具有QD和ZnO纳米颗粒层。图1C显示了由CdSe量子点组装的随机激光器的有源层上方的SEM俯视图。在SEM图像中可以看到各个QD。图1C的插图是在电子泵浦下设备操作期间随机激光器的照片,它显示出高的红光发射强度。

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图1 QD随机激光器的结构。(A)QD随机激光器的示意图。(B)显示每个层被很好沉积的器件结构的侧视图SEM图像。比例尺,200 nm。(C)CFRET的示意图。(D)混合QD膜的SEM形貌。比例尺,100 nm。插图显示了QD随机激光设备发出的红光的真实照片。

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通过将QD混合物由发射波长为540 nm的能量供体和发射波长为630 nm的能量受主的QD组成的QD混合物实现了基于QD的随机激光器的最佳性能。等量混合。ZnO纳米颗粒层由于其高迁移率,合适的能带和简单的溶液可加工性而被用作电子传输层,而PEDOT:PSS / poly-TPD / PVK三层被用作HTL以促进空穴传输到有源层和在当前注入下实现电荷平衡。图2A显示了该设备(40 – 42)的平带能级图的示意图。图2B显示了电流-电压(I – V)曲线,其中发现开启电压为1.7 V,泄漏电流低。该结果证实了与QD的有源层的异质结已经被成功制造。

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图2 QD随机激光器的能带图和I – V特性。(一)平带能级图。(B)QD随机激光器的I – V特性。在ITO侧施加正偏压。

激光特性的电致发光测量

图3A显示了在连续电流注入下基于QD的随机激光器的电致发光(EL)光谱。在20 mA的低注入电流下观察到的EL发射峰的半峰全宽(FWHM)为40 nm。如图中所示,随着注入电流增加到40 mA,出现了几个窄FWHM的尖峰,其中最强的峰的发射波长为630 nm,线宽为1.9 nm。如图3B所示,将最强发射的峰值强度绘制为注入电流的函数,由此可获得35 mA的阈值注入电流。另外,在激射状态下监视的运行时间持续6分钟。研究人员相信可以预期更长的使用寿命,因为激光动作可以重复几次。检测到的发射强度和FWHM的阈值行为都提供了激光作用的信号。

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图3 随机激光发射特性。A)在不同电流注入下工作的激光装置的电致发光光谱。在40 mA时观察到激光特性。(B)发射峰强度和FWHM作为注入电流的函数。au,任意单位。

总结

总而言之,研究人员通过实现CFRET的新范例演示了具有可见光发射的电泵浦QD随机激光器。可见光随机激光器的有源层由QD与能量供体和能量受体混合而成。已经发现,全QD有源层的光学增益可以通过多种因素的组合来提高,包括抑制重吸收,CFRET过程,施主和受主对的深光谱重叠以及每个堆叠层的合适能带对准。特别地,在CFRET工艺中,当通过供体QD引起的多次散射实现相干光子模式时,从供体到受体的能量转移可以相干地发生,这使得能够有效地提高光学增益并产生激光作用。

论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eaba1705

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