Лазер на квантовых точках
Иллюстрация: Matt Chinworth
Четырнадцатого апреля 2022 года ровно в полдень в рабочий кабинет Виктора Климова влетел постдокторант Намьянг Ан с криком: «Лазер заработал!». «Успокойся, Намьянг, - сказал Виктор, взяв из его рук распечатку со спектрометра и принявшись измерять линейкой величину изображённого там пика. - В каком журнале ты хочешь опубликовать результаты: в Nature или в Science?»
В 2023 году американский учёный советского происхождения Алексей Екимов вместе с коллегами Луисом Брюсом и Мунги Бавенди был удостоен Нобелевской премии по химии за открытие и исследование квантовых точек. С момента обнаружения явления прошло сорок лет - более чем достаточно, чтобы комитет мог по достоинству оценить его значение для сегодняшней науки и техники. Квантовые точки - кристаллические наночастицы размером от одной до нескольких сотен нанометров - совершили переворот в производстве дисплеев. Благодаря работам Екимова, Брюса и Бавенди мы можем видеть на экранах телевизоров и смартфонов краски, поражающие своей чистотой, насыщенностью и выразительностью. Квантовые точки используются в прозрачных солнечных панелях, которые можно встраивать в окна; применяются в высокоэффективных светодиодах и световых биомаркерах, позволяющих биологам увидеть клетки, которые получили лекарство.
Выпускник Московского государственного университета Виктор Климов исследует квантовые точки с 1980-х. Лишившийся во время перестройки возможности всерьёз заниматься любимой наукой (физикой конденсированных сред и лазерной оптикой), он уехал в Германию. Там в рабочие часы исследовал фуллерены, а по вечерам и в выходные - квантовые точки. С 1995 года Климов живёт и работает в США, где сегодня возглавляет Центр солнечной фотофизики в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) при Министерстве энергетики. Необыкновенные трудолюбие и упорство учёного и членов его команды дали плоды: после тысяч экспериментов с кусочками стекла, на которых сформированы квантовые точки, один из них засветился необычно ярким рубиновым светом.
С 1990-х Климов упорно воплощал в жизнь свою идею организовать квантовые точки так, чтобы под воздействием электрического поля они не просто светились, а усиливали фотонный поток друг друга, то есть работали как лазер. Он мечтал, чтобы такие лазеры можно было получать в обычных химических лабораториях на любой подложке. Потенциальная область применения открытия - вездесущая микроэлектроника, где давно востребованы новые способы передачи и преобразования информации. Ведь не секрет, что многослойные металлические межсоединения сильно ограничивают возможности дальнейшего совершенствования микросхем. Нужно от медных межсоединений переходить к не выделяющим тепло оптическим микролиниям, для чего требуются интегральные лазеры.
Только после 2010 года учёные из LANL начали понимать, как можно организовать эффективное электрическое возбуждение квантовых точек. В них, как и в полупроводниках, существует дырочная и электронная проводимость, а фотоны излучаются, когда электроны рекомбинируются с дырками. Климов обнаружил, что для когерентного усиления света нужно поддерживать в квантовой точке крайне нестабильное двуэкситонное состояние, в котором задействованы две пары «электрон - дырка». Выяснилось, что квантовые точки должны быть расположены как можно ближе друг к другу, чтобы самоусиливающаяся световая лавина пересиливала паразитную аугеровскую рекомбинацию, происходящую с выделением тепла вместо света. «Это ненужный процесс, чистая потеря энергии», - отмечает Климов. Подавить аугеровскую рекомбинацию помогли сплавные квантовые точки, где ядро из селенида кадмия окружено оболочкой из сульфида кадмия, обладающего более широкой запрещённой зоной. При этом концентрация материалов в сплаве постепенно меняется от центра к поверхности.
Электрическое возбуждение лазера на квантовых точках оказалось нетривиальной задачей. Для создания двуэкситонного состояния потребовалась светодиодоподобная структура, в которой слой подложки с квантовыми точками зажат между проводниками, внедряющими в него дырки и электроны. Плотность тока согласно расчётам Климова здесь требуется огромная - сто ампер на квадратный сантиметр. Это на два порядка больше, чем в светодиоде с квантовыми точками, который без хорошего теплоотвода перегревается и выходит из строя. Учёным стало понятно, что они должны кардинально доработать конструкцию прибора.
Исследователи получили ценную подсказку, анализируя свой эксперимент, проделанный ещё в 2018 году. Тогда постдокторант Джехон Лим тестировал очередной образец прибора. В том образце один из электродов оказался перекошен, отчего уменьшилась область инжекции носителей. Постдокторант отметил, что свечение получилось более ярким, чем обычно. Сначала никто не понял, что происходит. Шаг за шагом исследователи пришли к разгадке.
Перекошенный электрод сфокусировал электрический ток, повысив его плотность. Чтобы повторить опыт с фокусировкой тока, Лим добавил в тестовую структуру слой диэлектрика - фторида лития. И в этом слое для повышения плотности тока была намеренно создана узкая щель. Каким образом? Исследователь выдернул из собственной шевелюры волос и положил его на подложку, создав затеняющую маску. В том месте, где лежал волос, диэлектрик не осаждался, вот потому-то щель и образовалась. Поверх неё был нанесён серебряный электрод. Плотность тока через полученную таким образом узкую щель достигла двадцати ампер на квадратный сантиметр. Этого было достаточно для эффекта оптического усиления света, но всё же слишком мало для того чтобы получить лавинный режим.
Дальнейшего увеличения тока в 2019-2021 годах добился другой коллега Климова, постдокторант Хеян Джан. Он разместил полосный электрод под выверенным углом к щели, отчего площадь пересечения сократилась и ток был вынужден течь через малое сечение в 0,02 кв. мм. Джан также вместо постоянного тока применил прерывистый. Микросекундные импульсы чередовались с миллисекундными паузами, чтобы материал с квантовыми точками успевал остывать. Исследователям удалось довести плотность тока до тысячи ампер на квадратный сантиметр. И это было очень удачное решение - появилась возможность увеличить степень оптического усиления за счёт электронов, переведённых с более низких уровней на верхние. При этом расширился спектральный диапазон усиливаемых световых лучей.
К 2021 году учёные преодолели множество препятствий, но лазерный режим у них всё же никак не получался. Климов попросил специалистов по спектрометрии выяснить, что не так с прототипами. Намьянг Ан с помощью ещё двух молодых учёных составил модель, которая показала, что свет распространяется во всех направлениях, а должен бы в идеале идти вдоль узкой полоски вещества, наполненного квантовыми точками. Остальные слои структуры, слишком хорошо поглощая свет, «съедали» энергию.
Выход из положения команда обнаружила в научной статье 1976 года. Там была описана брэгговская оптическая решётка, позволяющая направить свет в нужную сторону. «Если вы хотите предложить добротное решение, ищите старые рецепты», - сказал тогда Климов. Решётка Брэгга представляет собой чередующиеся слои прозрачных материалов с разными показателями преломления, так что на их границах происходит поворот лучей. С помощью двадцатислойной брэгговской решётки, применённой вместо стеклянной подложки, учёные смогли избежать поглощения энергии на токоведущих элементах структуры. Сверху было напылено зеркальное серебряное покрытие. Только после этого спектроскопия подтвердила, что оптическое усиление в приборе превосходит оптические потери. Образец продемонстрировал лавинообразный рост интенсивности света, узкий спектр излучения и его сильную поляризацию.
Сейчас исследователи патентуют необычный лазер, одновременно пересаживая излучатель на кремниевую подложку.
При подготовке статьи использованы материалы из журнала "1663" Лос-Аламосской национальной лаборатории.
Читайте другие наши материалы
