April 30, 2012

RED, GREEN AND BLUE LASING ENABLED BY SINGLE-EXCITON GAIN IN COLLOIDAL QUANTUM DOT FILMS


"Red, green and blue lasing enabled by single-exciton gain in colloidal quantum dot films". C. Dang, J. Lee, C. Breen, J. S. Steckel, S. Coe-Sullivan, A. Nurmikko. NATURE NANOTECHNOLOGY. In press
DOI: 10.1038/NNANO.2012.61

 Colloidal quantum dots exhibit efficient photoluminescence with widely tunable bandgaps as a result of quantum confinement effects. Such quantum dots are emerging as an appealing complement to epitaxial semiconductor laser materials, which are ubiquitous and technologically mature, but unable to cover the full visible spectrum (red, green and blue; RGB). However, the requirement for high colloidal-quantum-dot packing density, and losses due to non-radiative multiexcitonic Auger recombination, have hindered the development of lasers based on colloidal quantum dots. Here, we engineer CdSe/ZnCdS core/shell colloidal quantum dots with aromatic ligands, which form densely packed films exhibiting optical gain across the visible spectrum with less than one exciton per colloidal quantum dot on average. This single-exciton gain allows the films to reach the threshold of amplified spontaneous emission at very low optical pump energy densities of 90 µJ cm–2, more than one order of magnitude better than previously reported values. We leverage the low-threshold gain of these nanocomposite films to produce the first colloidal-quantum-dot vertical-cavity surface-emitting lasers (CQD-VCSEL). Our results represent a significant step towards full-colour single-material lasers.

 
Los puntos cuánticos coloidales exhiben fotoluminiscencia eficientemente, con un amplio intervalo de brechas energéticas entonables, como un resultado de los efectos de confinamiento cuántico. Tales puntos cuánticos están emergiendo como un complemento a los materiales láser semiconductores crecidos epitaxialmente, los cuales se encuentran en muchos dispositivos y están en una etapa tecnológicamente madura, pero son incapaces de cubrir por completo todo el espectro visible (rojo, verde y azul; RGB). Sin embargo, el requisito de una alta densidad de empaquetamiento de los puntos cuánticos coloidales y las pérdidas debidas a recombinaciones Auger multiexcitónicas no radiativas han impedido el desarrollo de láseres basados en puntos cuánticos coloidales. Aquí se diseñaron puntos cuánticos coloidales núcleo/cáscara de CdSe/ZnCdS con ligandos aromáticos, los cuales forman películas densamente empaquetadas que exhiben ganancia óptica a lo largo de todo el espectro visible, con menos de un excitón por punto cuántico coloidal en promedio. Esta ganancia de sólo un excitón permite que las películas alcancen el umbral de emisión espontánea amplificada con muy bajas densidades de energía de bombeo óptico de 90  µJ cm–2, lo cual es un orden de magnitud mejor que los valores reportados con anterioridad. Se indujo la ganancia en estas películas nanocomposito con un umbral bajo para producir los primeros láseres emisores de superficie de cavidad vertical de puntos cuánticos coloidales (CQD-VCSEL). Los resultados representan un significativo paso adelante hacia los láseres de un sólo material que emiten en todos los colores.

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