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研究综述:胶体量子点研究乘风破浪,现实应用指日可待

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本月16日,来自美国洛斯阿拉莫斯和阿贡国家实验室的作者在《自然评论材料》(Nature Reviews Materials)发表新论文,总结了胶体量子点研究的最新进展,并强调了在快速发展的领域中仍然存在的挑战和机遇,这将使一系列新的基于激光和基于LED的技术应用成为可能。

作者表示,“这些微小规格的半导体物质可以产生光谱可调的激光,在光子电路、光通信、晶片实验室传感和医学诊断领域开辟了巨大的机会。”

二十年前,洛斯阿拉莫斯的科学家首次证明了胶体量子点可以产生光谱可调的激光。这一发现开启了一个令人兴奋的研究领域,即利用化学制造的纳米材料进行光放大的基础和应用方面。

胶体量子点由悬浮在溶液中的半导体前体组装而成。它们很容易在没有洁净室的情况下合成,表现得像遵循量子力学规则的大原子。

胶体量子点的一个显著特征是它们发射的颜色取决于颗粒大小。这是因为它们的尺寸非常小,与电子波函数的空间范围相当。来自胶体纳米晶体的高效、光谱可调的发射已经在电视和显示器等商业产品中得到利用。

胶体纳米材料在激光技术中的应用也很有吸引力,因为它们可以实现一种全新的颜色可选激光设备,可以通过溶液进行处理。

尽管半导体纳米晶体具有优异的发光性能,但却是“很难应用”的激光材料。洛斯阿拉莫斯的研究人员20年前发现,主要问题是由非辐射俄歇复合引起的光学增益超快失活。在这个过程中,受激半导体释放的能量不是作为光子发射,而是作为浪费的热量耗散掉。

2000年,洛斯阿拉莫斯量子点小组在《科学》杂志上连续发表了两篇文章,首先确定了俄歇衰变的问题,其次设计了一个解决这一挑战的实用策略。提出的解决方案的两个基本要素是使用密集、紧密堆积的量子点固体作为增益介质,以及用飞秒脉冲进行非常快速的光学增益激活。

洛斯阿拉莫斯实验室的科学家首次成功演示了量子点激光,从而在全球范围内启动了一项以胶体纳米材料为基础的实用设备的研发工作。然而,胶体量子点激光器仍然停留在研究实验室的范围内,设备在技术上不可行仍是主要障碍。

综述中表示,在过去的几年里,洛斯阿拉莫斯的科学家已经设计了几种有效的方法来解决俄歇衰变的问题。这些发展促成了最近的一些突破,包括以“亚单激子”泵浦运行的超低阈值激光器的演示,以电注入实现光增益,以及作为光泵浦激光器和标准电激励发光二极管运行的双功能器件的开发。

所有这些结果表明,基于胶体量子点的实用激光设备指日可待。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41578-020-00274-9


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