胶体量子点材料由于具有激发光谱宽、半峰宽窄、颜色可调和可溶液加工等特点受到广泛关注。1月14日《自然通讯》杂志上刊登了洛斯阿拉莫斯国家实验室的一项最新研究，为胶体量子点技术商业化带来了希望。

研究团队将经过精心设计的胶体量子点纳入一种新型发光二极管（LEDs）中，这种二极管包含一个集成的光学谐振器，可以像激光一样工作。这些新颖的双功能器件为多功能、更易制造的激光二极管开辟了道路。这项技术有望彻底改变从光电子学到化学传感、医学诊断等众多领域。

胶体量子点在LED模式下工作

洛斯阿拉莫斯国家实验室量子点组的负责人Victor Klimov表示：“这一最新的突破，以及我们在量子点化学和设备工程方面取得的其他最新进展，表明由溶液组装而成的激光二极管可能很快就会成为现实。量子点显示器和电视机已经可以作为商业产品使用。胶体量子点激光器或是下一代产品。”

 研究背景

量子点是准零维的纳米材料，由有限数目的原子组成。自上世纪70年代中期以来，因其具有许多独特的性质而得到了深入研究和广泛应用，利用量子点代替传统的半导体材料制作器件就是其中非常重要的应用之一。

胶体量子点是一种半导体纳米粒子，它能有效地产生生动和饱和的光色，被用于许多电子设备的显示屏。胶体半导体量子点为制作集成的无机半导体电子和光电子器件提供了机会。现代半导体激光二极管需要复杂的、基于真空的逐层沉积技术制造。而胶体量子点激光器可以在条件不那么苛刻的实验室和工厂生产。

除了简化制造流程，降低生产成本，胶体量子点技术有利于拓展激光技术应用的领域，包括集成光子电路、光学电路、芯片上的实验室平台和可穿戴设备。

在过去的二十年中，Los Alamos量子点团队一直致力于基于胶体化学制备的半导体纳米晶体激光器件的基础和应用研究。

这些粒子，也被称为胶体量子点，可以很容易地从自然溶液环境中加工出来，制造出各种光学、电子和光电子器件。此外，它们可以“调整大小”，用于激光应用，以产生现有半导体激光二极管无法获得的颜色。

 创新

在1月14日《自然通讯》杂志上发表的论文中，Los Alamos研究团队成功地解决了胶体量子点技术商业化道路上的几个挑战。

论文截图

他们特别展示了一个可操作的LED，它还可以作为一个光学泵浦的低阈值激光器。为了实现这些行为，他们将一个光学谐振器直接集成到LED架构中，而不阻碍电荷载流子流向量子点发射层。此外，通过仔细设计其多层器件的结构，他们可以将发射光很好地限制在50纳米左右的超薄量子点介质中。这是获得激光效果并同时允许电流有效激发量子点的关键。最后一个成分是可用于激光应用的、独特的量子点。Los Alamos团队根据多年来对这些纳米结构化学和物理的研究开发了这种量子点配方。

研究团队展示的LED结构

目前，洛斯阿拉莫斯实验室的科学家们正在解决剩下的挑战，即把电流密度提高到足以获得所谓的“粒子数反转”的水平，即量子点活性介质转变为光放大器的状态。

论文链接：Jeongkyun Roh et al, Optically pumped colloidal-quantum-dot lasing in LED-like devices with an integrated optical cavity, Nature Communications （2020）。 DOI: 10.1038/s41467-019-14014-3