Lasern mit wenig Dimensionen
Nanodraht mit Quantenpunkten lasert auch bei Raumtemperatur.
Bereits seit einiger Zeit stehen Halbleiterlaser aus Nanodrähten im Fokus. Sie lassen sich nicht nur extrem miniaturisieren, sondern sind auch hocheffiziente Emitter. Das macht sie insbesondere für Anwendungen in der integrierten Nanophotonik sowie in der Nanobiotechnologie interessant. Es ist jedoch eine Herausforderung, die verschiedenen Eigenschaften solcher Systeme zu vereinen, wie etwa Temperaturabhängigkeit, Wellenlänge und Bandbreite der emittierten Laserstrahlung. Ein Team japanischer Forscher hat nun erstmals an einzelnen Nanodrähten mit je fünfzig Quantenpunkten Lasing nachweisen können.
Abb.: Schema der Nanodrähte mit photo-angeregten Quantenpunkten (links), Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Nanodrähte, (rechts, Maßstab: 1 Mikrometer; Bilder: J. Tatebayashi et al. / NPG)
Eine besondere Herausforderung war dabei die Erzeugung der Nanodrähte mit genau den gewünschten Charakteristika. Die Forscher ließen die Drähte mit Hilfe von Abscheidung aus einer metallorganischen Dampfphase auf einem Galliumarsenidsubstrat wachsen. Wie Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen zeigten, entstanden dabei Nanodrähte mit einem hexagonalen Querschnitt, mit einem Durchmesser von rund 290 Nanometern und einer Höhe von 4,3 Mikrometern. In die Nanodrähte eingebettet waren fünfzig Quantenpunkte, die etwa 7 Nanometer hoch waren und einen Durchmesser von 45 Nanometern besaßen.
Diese Nanodrähte regten die Wissenschaftler mittels externer optischer Pulse an, wobei die Einstrahlungsintensitäten zwischen 0,1 bis 560 Milliwatt pro Quadratzentimeter lagen. Bei geringen Intensitäten sahen die Forscher nur einen einzelnen Lasing-Peak bei einer Wellenlänge von 918 Nanometern. Bei stärkeren Intensitäten zeigten sich weitere Nebenpeaks bei benachbarten Wellenlängen. Die Forscher untersuchten auch die Temperaturabhängigkeit ihrer Nanodrähte. Im Bereich von 7 bis 300 Kelvin zeigte sich dabei ein siebenfacher Anstieg der Grenzintensität, ab der Lasing einsetzte.
Für die Zukunft erhoffen sich die Forscher, noch mehr Quantenpunkte in ihre Nanodrähte integrieren zu können und damit die Effizienz weiter zu steigern. 200 und noch mehr Quantenpunkte pro Nanodraht liegen bereits heute im Rahmen des Möglichen. Mit solchen Verbesserungen könnten hocheffiziente Minilaser in Reichweite rücken, die sich nicht nur durch sehr geringe Leistungsaufnahme auszeichnen, sondern auch je nach Anwendung maßschneidern lassen.
Dirk Eidemüller
Weitere Infos
OD
