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| Los diodos de puntos cuánticos coloidales pueden crearse en la mesa del laboratorio y tienen un gran potencial en una amplia gama de aplicaciones prácticas. Los investigadores del Laboratorio Nacional de Los Álamos están desarrollando enfoques para superar los retos que quedan por delante para la realización práctica de estos dispositivos. Crédito: Nature Photonics |
En un nuevo artículo de revisión publicado en Nature Photonics, científicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos evalúan el estado de la investigación sobre los láseres de puntos cuánticos coloidales centrándose en los posibles dispositivos bombeados eléctricamente, o diodos láser. La revisión analiza los desafíos para realizar el láser con excitación eléctrica, discute los enfoques para superarlos y revisa los avances recientes hacia este objetivo.
Los láseres de puntos cuánticos coloidales tienen un enorme potencial en una serie de aplicaciones, como los circuitos ópticos integrados, las tecnologías para llevar puestas, los dispositivos "lab-on-a-chip" y los diagnósticos e imágenes médicas avanzadas", afirma Victor Klimov, investigador principal de la división de Química de Los Álamos y autor principal del artículo de portada de Nature Photonics. "Estos diodos láser de puntos cuánticos procesados en solución presentan retos únicos, que estamos avanzando mucho en superar".
Heeyoung Jung y Namyoung Ahn, también de la división de Química de Los Álamos, son coautores.
Los láseres semiconductores, o diodos láser, son una parte esencial de muchos productos de consumo habituales, así como de sofisticados equipos utilizados en telecomunicaciones, investigación científica, medicina y exploración espacial. Normalmente, estos dispositivos emplean películas semiconductoras ultrafinas, o pozos cuánticos, que crecen mediante la deposición atómica capa a capa en el vacío.
Aunque permite un control exquisito de las propiedades del material, este método de crecimiento es muy exigente y requiere un entorno de sala limpia. Además, está restringido a un número bastante reducido de materiales compatibles entre sí que se utilizan como medio de láser y sustrato subyacente. En concreto, los problemas de compatibilidad complican enormemente la integración de los láseres semiconductores existentes con la microelectrónica estándar basada en el silicio.
"Estos problemas pueden resolverse, en principio, con emisores de luz económicos y procesables en solución", afirma Klimov. "En particular, una alternativa atractiva a los pozos cuánticos estándar son las partículas semiconductoras preparadas mediante química coloidal de banco".
Muchos hitos clave de relevancia directa para el desarrollo de láseres de puntos cuánticos coloidales se han logrado en Los Álamos, en el equipo de Nanotecnología y Espectroscopia Avanzada de la división de Química. Este equipo lleva más de dos décadas dedicado a la investigación de puntos cuánticos de última generación y ha sido responsable de numerosas contribuciones en las áreas de síntesis de puntos cuánticos, sus estudios fundamentales y las aplicaciones de dispositivos.
Los puntos cuánticos coloidales pueden sintetizarse en grandes cantidades en un laboratorio estándar de química húmeda utilizando precursores baratos y fácilmente disponibles. Además, pueden combinarse con prácticamente cualquier sustrato, lo que resolvería el problema de la compatibilidad con la microelectrónica de silicio y abriría nuevos campos de aplicación no accesibles con los diodos láser tradicionales.
También hay ventajas adicionales derivadas de la naturaleza cuántica única de los nanocristales coloidales. En particular, debido a su tamaño ultrapequeño, su longitud de onda de emisión puede ajustarse fácilmente variando las dimensiones del nanocristal. Esta poderosa capacidad podría permitir la creación de diodos láser con una gama ultra amplia de colores accesibles. Además, la estructura discreta de los estados atómicos de los puntos cuánticos inhibe la despoblación térmica de los estados emisores de menor energía y, por tanto, reduce los umbrales de láser y mejora la estabilidad de la temperatura de un dispositivo de láser.
"A pesar de estos beneficios potenciales, los puntos cuánticos coloidales son materiales de láser difíciles", dijo Klimov. "Desde principios de los años 90 se dispone de nanocristales de alta calidad. Sin embargo, no emitieron láser hasta alrededor del año 2000, cuando nuestro equipo de Los Álamos demostró por primera vez el efecto de amplificación de la luz con nanocristales de seleniuro de cadmio".
La clave de esta demostración fueron dos importantes descubrimientos realizados en Los Álamos. Uno fue la constatación de que la ganancia óptica no depende de excitones simples (como en un proceso de emisión de luz estándar), sino de biexcitones y otros estados de mayor multiplicidad. El otro reto identificado era que el principal canal de desactivación de los estados biexcitónicos era la recombinación Auger no radiativa muy rápida, por la que los biexcitones generan calor en lugar de luz.
Para resolver estos problemas, los investigadores de Los Álamos utilizaron sólidos de puntos cuánticos densamente empaquetados, lo que les permitió aumentar la tasa de emisión estimulada para que pudiera superar la recombinación Auger. Además, emplearon pulsos muy cortos (de unos 100 femtosegundos) para poblar los puntos cuánticos con biexcitones antes de que tuvieran la oportunidad de decaer mediante el proceso Auger. Este enfoque produjo un resultado largamente esperado: la realización de la emisión espontánea amplificada, prueba de principio para el láser de puntos cuánticos coloidales.
La recombinación Auger sigue siendo un gran obstáculo para la realización de láseres de puntos cuánticos tecnológicamente viables. Otro reto importante es el desarrollo de dispositivos prácticos que puedan sostener densidades de corriente ultra elevadas, de cientos de amperios por centímetro cuadrado, necesarias para el láser. La realización de este tipo de estructuras es muy complicada debido a las pobres propiedades de transporte de carga de los sólidos de puntos cuánticos granulares y a la alta resistividad de las capas de transporte de carga procesadas en solución. Como resultado, los dispositivos se sobrecalientan rápidamente a altas densidades de corriente y acaban fallando debido a la rotura inducida por el calor.
Para resolver el problema del daño térmico, Los Álamos desarrolló una nueva arquitectura de dispositivos en la que el flujo de corriente se restringía a una pequeña área de 50 por 300 micras. Este enfoque de focalización de la corriente aumenta la densidad de ésta y, al mismo tiempo, reduce el volumen de generación de calor y mejora el intercambio térmico con el entorno. Otro truco consistía en suministrar portadores en ráfagas cortas de corriente entre las cuales el volumen activo tenía la oportunidad de verter el calor en un medio circundante.
Estas medidas permitieron elevar las densidades de corriente a niveles sin precedentes de unos 1.000 amperios por centímetro cuadrado, lo que supone multiplicar por más de cien los registros anteriores. Esto fue suficiente para lograr una ganancia óptica de banda ancha capaz de mantener el láser en una amplia gama de longitudes de onda que van del rojo al amarillo con una sola muestra de puntos cuánticos.
Otro reto es la incorporación de un resonador óptico para que no interrumpa las vías de inyección de carga y, al mismo tiempo, mantenga el láser a pesar de la presencia de capas de transporte de carga "con pérdidas ópticas". Este problema también ha sido resuelto recientemente por investigadores de Los Álamos.
En concreto, aplicaron un interesante enfoque en el que se preparó un resonador óptico como una rejilla periódica grabada en una capa que sirve de inyector de electrones. De este modo, conservaron la arquitectura estándar de un diodo emisor de luz (LED), pero lo dotaron de una función adicional de dispositivo emisor de láser. Las estructuras de doble función desarrolladas funcionaron como un LED estándar que funciona bajo bombeo eléctrico y como un láser activado ópticamente.
El último paso es combinar todas estas estrategias en un único dispositivo capaz de emitir láser con excitación eléctrica. Dados los recientes avances en las arquitecturas de densidad de corriente ultra alta y las exitosas recetas para la integración de cavidades, este objetivo parece estar al alcance de la mano, lo que sugiere que los diodos láser de puntos cuánticos coloidales podrían ser pronto una realidad.
Fuentes, créditos y referencias:
Heeyoung Jung et al, Prospects and challenges of colloidal quantum dot laser diodes, Nature Photonics (2021). DOI: 10.1038/s41566-021-00827-6