Quantenpunktlaser leuchtet rot, blau und grün
Größe ummantelter Cadmiumsulfid-Strukturen bestimmt die variable Bandlücke.
Laserdioden aus verschiedenen Halbleitern decken ein weites Spektrum vom sichtbaren bis zum infraroten Bereich ab. Auf der Basis eines einzigen Verbindungshalbleiters – Cadmiumselenid – bauten nun Physiker von der Brown University in Providence einen Quantenpunktlaser, der sowohl rotes, blaues als auch grünes Licht emittiert. Nicht die chemische Zusammensetzung, sondern allein die Größe der Quantenpunkte bestimmte die für die variable Wellenlänge verantwortliche Bandlücke.
Abb.: Ein Elektronenmikroskop macht die enge, symmetrische Anordnung der ummantelten Cadmiumselenid-Quantenpunkte, die je nach Größe verschiedene Bandlücken aufweisen, sichtbar. (Bild: Nat. Nanotechnol., Brown U.)
Für ihren Prototyp deponierten Arto Nurmikko und seine Kollegen Cadmiumselenid-Partikel auf einem Bragg-Reflektor. Die in einem nasschemischen Prozess aufgetragenen Quantenpunkte variierten in ihren Durchmessern zwischen 2,5 und 4,2 Nanometern und zeigten damit verschiedene Bandlücken, die Lichtemissionen von Blau über Grün bis Rot erlaubten. Über der Quantenpunkt-Schicht setzten die Forscher einen weiteren Bragg-Reflektor, sodass sich die emittierten Photonen selbst verstärken und sich zu einem gepulsten Laserstrahl bündeln.
Ein Titan-Saphir-Laser (400 nm, 100 kHz) regte die Quantenpunkte mit kurzen Pulsen an. Dabei entstanden Exzitonen, die bei ihrem Zerfall die gewünschten Photonen emittierten. Für die Lichtausbeute dieses Lasers mussten jedoch Auger-Prozesse beim Exzitonen-Zerfall vermieden werden, dies die Energie ohne Lichterzeugung auf ein Elektron überträgt. Erreicht haben Nurmikko und Kollegen dieses Ziel mit einer extrem dünnen Hülle aus einer Zink-Cadmium-Schwefel-Legierung, die jeden Quantenpunkt ummantelte. Im Vergleich zu „nackten“ Quantenpunkten konnten sie mit diesen Hüllen die zur Anregung nötige Laserleistung um etwa einen Faktor 1000 verringern.
Mit diesen ummantelten Quantenpunkten lassen sich nun in günstigen Verfahren prinzipiell Laserdioden mit einstellbaren Wellenlängen fertigen. Allerdings funktioniert der Prototyp nur als gepulste Lichtquelle und soll für eine kontinuierliche Emission von Laserlicht weiter optimiert werden. Ein Schlüssel dazu bietet eine noch dichtere Anordnung der einzelnen Quantenpunkte.
Jan Oliver Löfken
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