根特大學Nature Nanotechnology: 納米晶體中的帶隙重整實現光增益和激光

NSCD 3個月前 (10-28) 1183瀏覽

  • 【導讀】

半導體納米晶體具有優秀的發光性能、獨特的激子動力學以及良好的溶液可操作性，不僅在發光、顯示等領域應用廣泛，也是極具潛力的激光器增益材料。前期的研究聚焦于處于緊束縛尺寸的半導體納米晶，雖然已經取得了顯著的研究成果，然而，由于緊束縛納米晶的本征屬性，使得目前我們無法找到一種納米晶材料能夠同時實現低激光產生閾值、長能級反轉壽命并且增益系數與激光器共振腔損耗的匹配。這嚴重限制了納米晶在激光領域的應用。

  • 【成果掠影】

近日，比利時根特大學Pieter Geiregat團隊在Nature Nanotechnology發表了新的研究論文，提出采用尺寸顯著大于相應玻爾半徑的、不具有量子限域效應的CdS納米晶中的大的帶隙重整可以同時獲得高的材料增益、低的激光產生閾值和長的能級反轉壽命，并展示了基于該策略在準連續激發下能夠獲得放大自發發射和激光發射。在本項研究中，作者首先合成了高質量的尺寸在12 nm的纖鋅礦相的CdS納米晶體，并通過瞬態吸收光譜探明了本材料的材料增益范圍在465-550 nm，增益系數超過20000 cm-1且能級反轉壽命接近3 ns。在此基礎上，作者展示了基于此項策略所獲得的放大自發發射和激光。最后，作者通過理論模型解釋了在體相納米晶中能夠獲得如此優秀的激光產生性能的原因是顯著的帶隙重整。

相關研究文章以“Optical gain and lasing from bulk cadmium sulfide nanocrystals through bandgap renormalization”為題發表在Nature Nanotechnology上。

  • 【核心創新點】

本文通過創新性地采用體相CdS納米晶，利用其較顯著的帶隙重整效應，成果獲得了高材料增益、低閾值和長能級反轉壽命的增益介質。

  • 【數據概覽】

圖1.?CdS體相納米晶的光物理性能。?2023 Springer Nature

圖2.?CdS體相鈣鈦礦薄膜中的放大自發發射。?2023 Springer Nature

圖3.?光泵浦產生激光。?2023 Springer Nature

圖4.?體相增益模型的定量分析。?2023 Springer Nature

圖5.?CdS體相納米晶的增益閾值和動力學 ?2023 Springer Nature

  • 【成果啟示】

本項研究為探索新型的納米晶激光器提出了新的思路。文章中所采用的CdS體相納米晶的發光量子效率仍然較低，若能進一步提升其量子效率，降低非輻射弛豫，有望進一步優化各項參數。

 

原文詳情：Ivo Tanghe, Margarita Samoli, Isabella Wagner, Servet Ataberk Cayan, Ali Hossain Khan, Kai Chen, Justin Hodgkiss, Iwan Moreels, Dries Van Thourhout, Zeger Hens, Pieter Geiregat, Optical gain and lasing from bulk cadmium sulfide nanocrystals through bandgap renormalization. Nature Nanotechnology (2023).

 

DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-023-01521-0

 

本文由NSCD供稿。 ???

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