單一奈米材料產生多種雷射色彩

Single nanomaterial yields many laser colors
http://phys.org/news/2012-04-nanomaterial-yields-laser.html

April 29, 2012

紅光、綠光以及藍光雷射已變得夠小、夠便宜，從藍光 DVD 播放器到造型筆（fancy pens）都能看見它們的蹤跡，但每種顏色都使用不一樣的半導體材料並透過精巧的結晶生長過程製作而成。有一種新的原型技術證明，這三種顏色可來自同一種材料。這為產品的製造開啟了大門，例如同一時間使用各種雷色色彩的高效能數位顯示器。

"今日為了創造出一款能呈現任意顏色 -- 從白色到深淺（shades）不一的粉紅或水藍 -- 的雷射顯示器，你得將這三種不同的材料系統湊在一起，構成三種截然不同的雷射，無論形狀或形態都不盡相同，" Arto Nurmikko 表示，Brown 大學工程教授，以及一篇在 Nature Nanotechnology 期刊上敘述此項創新之論文的資深作者。 "現在晉級到一種稱為「半導體量子點（semiconductor quantum dots）」的材料。"

在論文中所描述的原型雷射，其材料是奈米大小的半導體粒子，叫做膠態量子點（colloidal quantum dots） -- 由鎘與硒合金構成內核，並塗佈一層鋅、鎘與硫合金的奈米結晶體，外加一種專用的有機分子膠。位於麻州萊辛頓，QD Vision 公司的化學家利用一種溼化學製程來合成這些奈米晶體，那允許他們藉由改變製造時間，精確調整奈米結晶體的大小。只需要改變大小就能夠產生不同顏色的雷射：4.2 奈米核心產生紅光、3.2 奈米發出綠光而 2.5 奈米閃耀著藍光。不同的大小能產生光譜上其他顏色。

覆層（cladding）與奈米晶體結構為進展之關鍵，超越了之前以膠態量子點來製造雷射的嘗試，第一作者 Cuong Dang 表示，他是一位資深研究助理，在 Nurmikko 的 Brown 小組中還擔任奈米光學實驗室經理。他表示，因其改良過的量子力學與電氣表現，這種塗佈過的角錐狀體（pyramids）與先前的嘗試相較，所需要的脈衝能量少了 10 倍，即製造雷射光所需要的電力少了 1000 倍。


量子指甲油（Quantum nail polish）

當 QDVision 的化學家依 Brown 設計的規格製造一批膠態量子點時，Dang 與 Nurmikko 則製造一瓶黏性液體，Nurmikko 說那有點像指甲油。為了製造雷射，Dang 在一片方形玻璃上 -- 或其他各種形狀上 -- 塗佈這種液體。當液體揮發後，留在玻璃上的是數個稠密堆積（packed）的固體 -- 高度有序的奈米晶體層。將玻璃夾在二面特別準備的鏡子中，Dang 創造出最具挑戰性的雷射結構，稱為垂直共振腔面射型雷射（vertical-cavity surface-emitting laser）。這個 Brown 團隊是第一個以膠態量子點創造出可行的 VCSEL 的團隊。

奈米晶體的外部塗佈了鋅、鎘、硫合金，而分子膠則很重要，因為它減少發出雷射所需要的激發電子態，並防止奈米晶體產生某種串音效應（crosstalk），那會使晶體難以產生雷射光，Nurmikko 說。每批膠態量子點都會有幾個瑕疵品，但通常只要少數幾個就足以干擾光線擴大。

面臨到需要高激發電子態以及緻密堆積層中的破壞性串音（destructive crosstalk），先前的研究小組需要以大量電力激發（pump）他們的量子點，使它們通過更高的門檻以產生光擴大，這是任一種雷射的核心元素。然而，強行激發它們時會產生其他問題：一種過度激發的電子態，稱為激子（excitons）。當量子點中的激子過多時，原本要產生雷射光的能量反而會以熱的形態逸散 -- 絕大部分是透過一種稱為 Auger process（歐傑過程）的現象。

奈米晶體的結構及其外部覆層減少了破壞性串音，並降低了使量子點發光所需要的能量。這減少激發量子點雷射所需要的能量，且顯然減少超過激子層次的可能性，在那種層次上，Auger process 會吸走能量。此外，這種新方法的結構還有一種優勢：量子點能迅速動作，在 Auger process 開始（雖然這種情況很罕見，但仍有可能發生）前將雷射光釋出。

"我們試圖證明，那創造的不只是光，而是雷射光，" Nurmikko 說。"原則上，我們目前有數種優勢：能以同樣的化學物質產生所有顏色、以非常廉價的方式製造雷射（相對來說）以及能將它們塗佈到各種表面（不管形狀為何）的能力。這使得各式各樣的裝置配置在未來都有可能出現。"

※ 相關報導：

＊ Red, green and blue lasing enabled by single-exciton gain in colloidal quantum dot films
http://www.nature.com/nnano/journal/v7/n5/full/nnano.2012.61.html

Cuong Dang, Joonhee Lee, Craig Breen, Jonathan S. Steckel,
Seth Coe-Sullivan, Arto Nurmikko
Nature Nanotechnology 7, 335–339 (2012)
doi: 10.1038/nnano.2012.61

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