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研究實現(xiàn)膠體量子點在液體中的放大自發(fā)輻射
作者：孫丹寧 來源：中國科學報
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近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員吳凱豐與研究員杜駿團隊在膠體量子點多激子動力學與光增益研究中取得新進展。團隊與美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室Victor Klimov團隊合作，開發(fā)了體積緊湊的“俄歇抑制”型膠體量子點，在量子點溶液中觀測到了準連續(xù)光泵浦下的放大自發(fā)輻射現(xiàn)象。相關成果發(fā)表在《先進材料》上。
膠體量子點是一種溶液中制備生長的半導體納米晶體。它具有成本低廉、發(fā)光效率高、發(fā)光波長連續(xù)可調、吸收截面大等特點，本應是一種理想的液體激光增益介質，有望取代常用的有機染料分子。然而，膠體量子點帶邊存在至少二重的能級簡并，需要被激發(fā)至雙激子態(tài)或更高階的多激子態(tài)才能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。由于多激子態(tài)會發(fā)生超快的非輻射俄歇復合過程，使得一般量子點的光增益壽命被限制在皮秒量級。
2000年，國際上報道了量子點薄膜中的放大自發(fā)輻射現(xiàn)象，薄膜中的高堆積密度有利于縮短光學放大的建立時間，能夠在皮秒級別的光增益衰退之前實現(xiàn)自發(fā)輻射的光學放大。自此之后的二十幾年內，研究人員都遵循這一研究范式，致力于研發(fā)基于量子點薄膜的激光體系，而在量子點密度較低的液體介質中實現(xiàn)放大自發(fā)輻射以及激光則鮮有報道。
吳凱豐團隊一直致力于量子點的超快光物理及其光增益機制的研究，本工作中，研究團隊打破20年來的研究范式，重新審視了量子點的液體光增益機制。他們巧妙設計合成了體積緊湊的核殼結構量子點，該類量子點具有組分漸變的合金化結構，其平緩的限域勢壘有助于抑制非輻射俄歇復合。該策略將量子點的雙激子壽命從常規(guī)的皮秒量級延長到了納秒量級，從而使雙激子增益壽命也達到了近納秒的量級。在此基礎上，基于膠體穩(wěn)定的量子點溶液即可實現(xiàn)光泵浦的放大自發(fā)輻射。
研究發(fā)現(xiàn)，該量子點增益體系表現(xiàn)出超強的光穩(wěn)定性以及可放大合成的特性，尤其重要的是，可以在7納秒的固體激光泵浦下實現(xiàn)準連續(xù)的放大自發(fā)輻射。由于放大自發(fā)輻射是激光輸出的“前驅體”，該工作有望為未來在諧振腔內實現(xiàn)基于量子點液體的激光輸出奠定基礎。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202308979
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