Les ingénieurs développent un double

27 mars 2023

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par Laboratoire national de Los Alamos

Une équipe du Laboratoire national de Los Alamos a surmonté des défis majeurs en matière d'émetteurs de lumière de haute intensité technologiquement viables basés sur la technologie des points quantiques colloïdaux, ce qui a abouti à des dispositifs à double fonction qui fonctionnent à la fois comme un laser à excitation optique et comme une diode électroluminescente à commande électrique de haute luminosité. (DIRIGÉ).

Comme décrit dans la revue Advanced Materials, cette avancée représente une étape clé vers un laser à points quantiques colloïdaux pompé électriquement ou une diode laser, un nouveau type de dispositifs dont l'impact couvrirait de nombreuses technologies, notamment l'électronique et la photonique intégrées, les interconnexions optiques, les laboratoires. -plateformes sur puce, appareils portables et diagnostics médicaux.

"La recherche de diodes laser à points quantiques colloïdaux fait partie d'un effort mondial visant à réaliser des lasers et des amplificateurs à pompage électrique basés sur des matériaux traitables en solution", a déclaré Victor Klimov, scientifique de la division de chimie de Los Alamos et chef d'équipe de recherche. "Ces dispositifs ont été recherchés pour leur compatibilité avec pratiquement tous les substrats, leur évolutivité et leur facilité d'intégration avec l'électronique et la photonique sur puce, y compris les circuits traditionnels à base de silicium."

Comme dans une LED standard, dans les nouveaux appareils de l’équipe, la couche de points quantiques agissait comme un émetteur de lumière actionné électriquement. Cependant, en raison de densités de courant extrêmement élevées de plus de 500 ampères par centimètre carré, les appareils ont démontré des niveaux de luminosité sans précédent de plus d'un million de candela par mètre carré (la candela mesure la puissance lumineuse émise dans une direction donnée). Cette luminosité les rend bien adaptés aux applications telles que les écrans de lumière du jour, les projecteurs et les feux de circulation.

La couche de points quantiques s’est également comportée comme un amplificateur de guide d’ondes efficace avec un gain optique net important. L'équipe de Los Alamos a réalisé un laser à bande étroite avec une pile de dispositifs de type LED entièrement fonctionnelle contenant toutes les couches de transport de charge et d'autres éléments nécessaires au pompage électrique. Cette avancée ouvre la porte à la démonstration très attendue du laser avec pompage électrique, effet qui permettra la pleine réalisation de la technologie laser à points quantiques colloïdaux.

Les nanocristaux semi-conducteurs, ou points quantiques colloïdaux, sont des matériaux intéressants pour la mise en œuvre de dispositifs laser, notamment des diodes laser. Ils peuvent être préparés avec une précision atomique via des techniques chimiques à température modérée.

De plus, en raison de leurs petites dimensions, comparables à l’étendue naturelle des fonctions d’onde électroniques, les points quantiques présentent des états électroniques discrets de type atomique dont les énergies dépendent directement de la taille des particules. Cette conséquence d'un effet dit de « taille quantique » peut être exploitée pour régler la ligne laser sur une longueur d'onde souhaitée ou pour concevoir un milieu de gain multicolore prenant en charge l'effet laser à plusieurs longueurs d'onde. Les avantages supplémentaires dérivés d'un spectre atomique particulier d'états électroniques de points quantiques incluent de faibles seuils de gain optique et une sensibilité supprimée des caractéristiques laser aux changements de température du dispositif.

La plupart des recherches sur le laser à points quantiques ont utilisé de courtes impulsions optiques pour exciter un milieu à gain optique. La réalisation de lasers avec des points quantiques entraînés électriquement est une tâche beaucoup plus difficile. Avec leurs nouveaux appareils, l’équipe de recherche de Los Alamos a franchi une étape importante vers cet objectif.