研发报告详细内容

柔性纳米线激光器

     

 

将一种聚合物旋转涂覆成一组纳米线可制成柔性的光泵激光器

 

日本东京大学的研究人员宣称在柔性衬底上制成了首个基于纳米线的激光器。

 

他们所做的工作将有助于开发在机械方面具有柔性的模块,这种模块能够在窗户、纸张、皮肤、隐形眼镜、甚至人体内部提供相干光源,有望实现人机交互的光电设备。

 

这支日本研究团队所取得的突破包括在单个纳米线谐振腔(由嵌入在柔性衬底上的量子点形成)中制作了一个光泵激光器。为了形成这样的结构,采用旋转涂覆和固化工序将纳米线谐振腔转移到聚合物 PDMS(聚二甲基硅氧烷)的薄膜中。

 

制造的第一步是将图形化 GaAs 衬底装入 MOCVD 反应腔并生长由 GaAs 线芯构成的纳米线,之后是一个 50 层的 In0.2Ga0.8As 纳米线量子点堆栈和 GaAs/Al0.1Ga0.9As 线芯-外壳-封帽 (core-shell-cap) 层。图形化衬底的形成方法是:在 GaAs 上沉积一个 10 nm 厚的 SiO2 层,然后使用电子束光刻和反应离子蚀刻创建一个孔洞阵列(孔洞的直径为 30 nm,间隔距离为 500 nm)。

 

下一步是将 PDMS 与固化剂按 10:1 的比例混合,并把这种混合物旋转涂膜在样本上(持续时间为 60秒)。重复该过程可确保薄膜的厚度足够大——根据横断面扫描电子显微镜的观察,它的厚度超过 100 μm

 

在搁置了几个小时之后,为了确保聚合物完全融入到凹槽之中,研究人员在 120°C 的温度下对该样本进行了为时 1 个小时的固化。最后,他们轻轻地将固化的PDMS薄膜从衬底上剥离。

 

已经用几种形式的显微镜对这种透明且易于折叠的薄膜进行了细致的观察。扫描电子显微镜显示:纳米线通常高 4 μm,直径为 300 nm,而横断面扫描隧道电子显微镜的观察结果是:平均来说,量子点的直径小于 40 nm,长度短于 7 nm

 

将样本置于低温恒温器中,冷却至 10K,并利用 780 nm 掺钛蓝宝石激光器对量子点进行泵浦将产生一个位于 1.41 eV 的发光峰(这与来自量子点基态的自发发射相关)。在弱泵浦条件下,由于量子点尺寸的波动引起了不均一的展宽,因此该峰值在 60 meV 的半最大值处具有全宽。当能量密度增加时,由于量子点内部态填充的原因,光致发光峰值移动至较高的能量。

 

能量密度的额外增加将激光光谱从低于阈值拉至高于阈值,这里,由于纳米线量子点谐振腔的高子带,发射移动至 1.425 eV

 

该研究小组注意到,由于纳米线尺寸、量子点和晶体质量存在很大的差异,所以这种发射只来自纳米线量子点谐振腔的一小部分。有人认为,优化生长条件可以改善纳米线量子点的尺寸均匀性,并最终实现更好的器件性能,包括较高的激光器良率。

 

该小组的另一个观察结果是,柔性衬底上的器件的激光阈值高于水平放置在硅基SiO2 衬底上的纳米线量子点激光器的激光阈值。阈值较高部分归因于端面一侧上的反射率较低,这是由于纳米线和 PDMS 之间界面的折射率较低所致。这造成了相对较大的镜面损失。高阈值背后的另一个因素是低的端面质量,这源于薄膜从衬底的剥离。

 

为了克服这些弱点,研究人员主张在旋转涂覆之前将金添加至谐振腔的顶部,并优化用于形成柔性器件的方法。

 

纳米线量子点技术的潜在机遇之一是用于改善隐形眼镜的性能

 

参考文献

J. Tatebayashi et al. Appl. Phys. Express 11 065002 (2018)


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