جهازان في واحد: تقنية Quantum Dot Breakthrough تجمع بين قدرات الليزر وإمكانيات LED
تمثيل فنان للنقاط الكمومية الغروية (السداسيات الملونة) يلقي من المحلول (برك من السائل) على مقضب (مجموعات من الخطوط الأفقية) ويتحمس إما كهربائيًا (آثار شبيهة بالبرق) أو بصريًا (شعاع أبيض ضيق قادم من اليمين) إلى إنتاج إخراج متعدد الألوان (أشعة تنطلق من الوسط إلى أسفل اليسار). الائتمان: ألبين جويوت
يقود باحثو المختبر تقنية الليزر بنقاط الكم الغروية لتكون أقرب إلى الجاهزية للجهاز.
حقق باحثو مختبر لوس ألاموس الوطني تقدمًا كبيرًا في تطوير بواعث ضوئية عالية الكثافة باستخدام تقنية النقاط الكمومية الغروية، مما أدى إلى إنشاء أجهزة مزدوجة الوظائف بمستويات سطوع غير مسبوقة.
يمكن أن يؤثر هذا الاختراق على مجالات مختلفة، بما في ذلك الإلكترونيات المتكاملة والضوئيات والتشخيص الطبي، ويجعل ثنائيات الليزر ذات النقاط الكمومية أقرب إلى الواقع.
تغلب فريق مختبر لوس ألاموس الوطني على التحديات الرئيسية تجاه بواعث الضوء عالية الكثافة والقابلة للتطبيق من الناحية التكنولوجية استنادًا إلى تقنية النقاط الكمومية الغروية، مما أدى إلى إنشاء أجهزة مزدوجة الوظائف تعمل كليزر متحمس بصريًا وديود ضوئي عالي السطوع مدفوع كهربائيًا (قاد).
كما هو موضح في مجلة Advanced Materials ، يمثل هذا التقدم معلمًا رئيسيًا نحو ليزر نقطي الكم الغرواني الذي يتم ضخه كهربائيًا أو صمام ثنائي ليزر، وهو نوع جديد من الأجهزة التي يمتد تأثيرها عبر العديد من التقنيات بما في ذلك الإلكترونيات المتكاملة والضوئيات والوصلات البصرية والمختبر المنصات على الرقاقة والأجهزة القابلة للارتداء والتشخيصات الطبية.
قال فيكتور كليموف ، العالم في قسم الكيمياء في لوس ألاموس ورئيس الفريق في البحث: “يمثل البحث عن ثنائيات الليزر ذات النقاط الكمومية الغروية جزءًا من جهد عالمي يهدف إلى تحقيق أشعة الليزر ومكبرات الصوت التي يتم ضخها كهربائيًا بناءً على مواد قابلة للمعالجة بالحلول”.
“تمت متابعة هذه الأجهزة من أجل توافقها مع أي ركيزة تقريبًا، وإمكانية التوسع وسهولة التكامل مع الإلكترونيات والضوئيات على الرقاقة بما في ذلك الدوائر التقليدية القائمة على السيليكون.”
كما هو الحال في LED القياسي، في الأجهزة الجديدة للفريق، عملت طبقة النقاط الكمومية كباعث ضوئي مدفوع كهربائيًا.
ومع ذلك، نظرًا لكثافات التيار العالية للغاية التي تزيد عن 500 أمبير لكل سنتيمتر مربع، فقد أظهرت الأجهزة مستويات غير مسبوقة من السطوع لأكثر من مليون شمعة لكل متر مربع (تقيس الشمعة الطاقة المضيئة المنبعثة في اتجاه معين). هذا السطوع يجعلها مناسبة تمامًا للتطبيقات مثل شاشات عرض ضوء النهار وأجهزة العرض وإشارات المرور.
عملت طبقة النقطة الكمومية أيضًا كمضخم للدليل الموجي فعال مع كسب بصري صافي كبير. حقق فريق Los Alamos ليزرًا ضيق النطاق مع مجموعة أجهزة من نوع LED تعمل بكامل طاقتها تحتوي على جميع طبقات نقل الشحنات والعناصر الأخرى اللازمة للضخ الكهربائي.
يفتح هذا التقدم الباب أمام العرض التوضيحي المرتقب للغاية لعملية الليزر مع الضخ الكهربائي، وهو التأثير الذي سيسمح بالإدراك الكامل لتقنية الليزر بنقاط الكم الغروية.
النقاط الكمومية الغروية
البلورات النانوية شبه الموصلة – أو النقاط الكمومية الغروية – هي مواد جذابة لتنفيذ أجهزة الليزر، بما في ذلك ثنائيات الليزر. يمكن تحضيرها بدقة ذرية عبر تقنيات كيميائية متوسطة الحرارة.
بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأبعادها الصغيرة، التي يمكن مقارنتها بالمدى الطبيعي لوظائف الموجة الإلكترونية، تُظهر النقاط الكمومية حالات إلكترونية شبيهة بالذرية تعتمد طاقاتها بشكل مباشر على حجم الجسيمات.
يمكن استغلال هذه النتيجة لما يسمى بتأثير “الحجم الكمي” لضبط خط الليزر إلى الطول الموجي المطلوب أو لتصميم وسيط كسب متعدد الألوان يدعم الليزر بأطوال موجية متعددة. تشمل المزايا الإضافية المستمدة من طيف غريب يشبه الطيف الذري للحالات الإلكترونية ذات النقاط الكمية عتبات منخفضة للكسب البصري وحساسية مكبوتة لخصائص الليزر للتغيرات في درجة حرارة الجهاز.
تصميم مبتكر لحل تحديات الضخ الكهربائي
استخدمت معظم أبحاث ليزر النقاط الكمومية نبضات ضوئية قصيرة لإثارة وسيط كسب بصري. يعد تحقيق الليزر باستخدام النقاط الكمومية المدفوعة كهربائيًا مهمة أكثر صعوبة.
مع أجهزتهم الجديدة، اتخذ فريق أبحاث Los Alamos خطوة مهمة نحو هذا الهدف.
قال ناميونج أهن، زميل ما بعد الدكتوراه في مدير المختبر وخبير الأجهزة الرئيسي في فريق النقطة الكمومية: “يكمن أحد التحديات في مجال تصميمات الأجهزة الكهربائية والبصرية”.
“على وجه الخصوص، يجب أن تكون بنية حقن الشحن في الجهاز قادرة على توليد واستدامة كثافات تيار عالية جدًا مطلوبة لعمل الليزر.
يجب أن يُظهر الجهاز نفسه أيضًا خسائر بصرية منخفضة حتى لا يقمع الكسب المتولد في وسط نشط ذي نقطة كمومية رفيعة “.
لتعزيز الكسب البصري، طور الفريق بلورات نانوية جديدة أطلقوا عليها اسم “النقاط الكمومية المدمجة المتدرجة التركيب”.
قال كليمنت ليفاش ، باحث ما بعد الدكتوراة على النقطة الكمومية: “تتميز هذه النقاط الكمومية الجديدة بقمع إعادة تركيب أوجيه بسبب التدرج اللوني المدمج وتظهر في نفس الوقت معامل ربح كبير عند تجميعها في مادة صلبة محكمة الغلق تُستخدم كوسيط كسب بصري”.
الفريق الذي أجرى دراسات طيفية للأجهزة المصنعة. “يساعد هذا على تحقيق مكاسب بصرية صافية في هيكل معقد كهربائيًا حيث يتم دمج طبقة نقطية كمومية رفيعة ومضخمة للضوء مع طبقات متعددة موصلة للشحنة تمتص الضوء.”
لتسهيل تضخيم الضوء، قام الباحثون أيضًا بتقليل الخسائر البصرية في أجهزتهم. على وجه الخصوص، أعادوا تصميم بنية حقن الشحن عن طريق إزالة المواد التي تشبه المعادن المفقودة بصريًا واستبدالها بطبقات عضوية منخفضة الامتصاص محسّنة بشكل مناسب.
بالإضافة إلى ذلك، قاموا بتصميم ملف تعريف المقطع العرضي للجهاز لتقليل شدة المجال البصري في طبقات نقل الشحنة شديدة الامتصاص وفي نفس الوقت لتعزيزها في وسيط كسب النقطة الكمومية.
أخيرًا، لتمكين تذبذبات الليزر، تم استكمال الأجهزة المطورة بتجويف ضوئي تم تحضيره على شكل مقضب دوري تم دمجه في أحد أقطاب الجهاز.
كان هذا المحزوز بمثابة ما يسمى رنان ردود الفعل الموزعة التي سمحت بتدوير الضوء في المستوى الجانبي لطبقة النقطة الكمومية، مما يسمح بالتضخيم متعدد التمريرات.
التحدي الأخير
تم تحقيق تأثير الليزر باستخدام الإثارة البصرية. لم يتم ملاحظة الليزر باستخدام الضخ الكهربائي بسبب تدهور أداء الجهاز الناتج عن الحرارة الزائدة الناتجة عن التيار المار.
هذا هو التحدي الأخير الذي يحتاج إلى معالجة لإثبات تذبذبات الليزر المدفوعة كهربائيًا.
منذ بضع سنوات فقط، كان يُنظر إلى ليزر النقاط الكمومية الغروية الذي يتم ضخه كهربائيًا على نطاق واسع على أنه مستحيل بسبب مشاكل مثل تحلل أوجيه فائق السرعة، والكثافات الحالية غير الكافية في مصابيح LED ذات النقاط الكمية، وصعوبات في الجمع بين وظائف الإشعاع الكهربائي والليزر في نفس الجهاز.
تُظهر نتائج فريق Los Alamos quantum dot حلولًا عملية لمعظم هذه المشكلات، مما يشير إلى أن الصمام الثنائي الليزري ذي النقاط الكمومية في متناول اليد.
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
