Engenheiros desenvolvem dupla

27 de março de 2023

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pelo Laboratório Nacional de Los Alamos

Uma equipe do Laboratório Nacional de Los Alamos superou os principais desafios em direção a emissores de luz de alta intensidade tecnologicamente viáveis ​​baseados na tecnologia de pontos quânticos coloidais, resultando em dispositivos de dupla função que operam tanto como um laser opticamente excitado quanto como um diodo emissor de luz de alto brilho acionado eletricamente (LIDERADO).

Conforme descrito na revista Advanced Materials, esse avanço representa um marco importante em direção a um laser de pontos quânticos coloidal bombeado eletricamente ou a um diodo laser, um novo tipo de dispositivo cujo impacto abrangeria inúmeras tecnologias, incluindo eletrônica integrada e fotônica, interconexões ópticas, laboratório plataformas -a-chip, dispositivos vestíveis e diagnósticos médicos.

"A busca por diodos laser de pontos quânticos coloidais representa parte de um esforço mundial que visa realizar lasers e amplificadores bombeados eletricamente baseados em materiais processáveis ​​em solução", disse Victor Klimov, cientista da divisão de Química de Los Alamos e líder da equipe de pesquisa. "Esses dispositivos têm sido procurados por sua compatibilidade com praticamente qualquer substrato, escalabilidade e facilidade de integração com componentes eletrônicos e fotônicos no chip, incluindo circuitos tradicionais baseados em silício."

Tal como acontece com um LED padrão, nos novos dispositivos da equipe, a camada de pontos quânticos agia como um emissor de luz acionado eletricamente. No entanto, devido às densidades de corrente extremamente elevadas, de mais de 500 amperes por centímetro quadrado, os dispositivos demonstraram níveis de brilho sem precedentes, de mais de um milhão de candelas por metro quadrado (candela mede a potência luminosa emitida numa determinada direcção). Esse brilho os torna adequados para aplicações como displays diurnos, projetores e semáforos.

A camada de pontos quânticos também se comportou como um amplificador de guia de ondas eficiente com grande ganho óptico líquido. A equipe de Los Alamos alcançou o laser de banda estreita com uma pilha de dispositivos do tipo LED totalmente funcional contendo todas as camadas de transporte de carga e outros elementos necessários para o bombeamento elétrico. Este avanço abre a porta para a tão esperada demonstração de laser com bombeamento elétrico, o efeito que permitirá a plena realização da tecnologia de laser de pontos quânticos coloidais.

Nanocristais semicondutores – ou pontos quânticos coloidais – são materiais atraentes para a implementação de dispositivos de laser, incluindo diodos laser. Eles podem ser preparados com precisão atômica por meio de técnicas químicas de temperatura moderada.

Além disso, devido às suas pequenas dimensões, comparáveis ​​a uma extensão natural das funções de onda eletrônica, os pontos quânticos exibem estados eletrônicos discretos semelhantes aos atômicos, cujas energias dependem diretamente do tamanho das partículas. Esta consequência do chamado efeito de "tamanho quântico" pode ser explorada para sintonizar a linha de laser em um comprimento de onda desejado ou para projetar um meio de ganho multicolorido que suporte laser em vários comprimentos de onda. Vantagens adicionais derivadas de um espectro atômico peculiar de estados eletrônicos de pontos quânticos incluem baixos limites de ganho óptico e sensibilidade suprimida das características do laser às mudanças na temperatura do dispositivo.

A maioria das pesquisas sobre laser de pontos quânticos empregou pulsos ópticos curtos para excitar um meio de ganho óptico. A realização do laser com pontos quânticos acionados eletricamente é uma tarefa muito mais desafiadora. Com seus novos dispositivos, a equipe de pesquisa de Los Alamos deu um passo importante rumo a esse objetivo.