胶体量子点，最新Nature大子刊！

新型量子点实现低阈值连续激光，胶体量子点激光器迈向实用化

长期以来，胶体量子点因其可溶液加工、发射波长可调谐、发光效率高等优点，被视为实现低成本、可集成激光器的理想增益介质。然而，要实现具有实际应用价值的激光器，尤其是能够在连续或准连续波泵浦下工作的器件，面临着一个核心挑战：极高的激射阈值。传统的量子点激光通常需要依赖昂贵的高功率飞秒激光器进行脉冲泵浦，这是因为量子点中产生光学增益所需的多载流子态寿命极短，且会通过快速的俄歇复合过程耗散能量，导致在连续泵浦下器件严重过热，从而抑制激光产生。降低激射阈值至约1 kW cm⁻²以下，成为实现能用普通激光二极管甚至LED泵浦的实用化量子点激光器的关键。

近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Victor I. Klimov教授团队利用一种新型的“I+II型”胶体量子点，成功实现了在低功率准连续波激光二极管泵浦下的低阈值激光。该工作展示，在77K温度下，激射阈值可低至约500 W cm⁻²；即使在室温下，也仅需3.6 kW cm⁻²。这一突破性进展得益于独特的“混合直接/间接激子”增益机制，该机制显著抑制了俄歇复合，将光学增益寿命延长至数纳秒，同时保持了高达约1200 cm⁻¹的材料增益系数。基于此，研究团队不仅演示了分布式反馈激光器，还在完全堆叠的电致发光器件结构中以及由密集排列量子点构成的微盘谐振器中实现了激光输出，为开发片上集成、电泵浦的量子点激光二极管迈出了关键一步。相关论文以“Low-threshold lasing from colloidal quantum dots under quasi-continuous-wave excitation”为题，发表在Nature Photonics上。

研究的核心在于一种特殊设计的“I+II型”量子点异质结构。如图1所示，这种量子点包含一个直接区、一个间接区以及分隔它们的势垒。其能级设计使得稳定的单激子态是空间分离的间接激子，而稳定的双激子态则是一个混合态：其中一个电子-空穴对位于直接区，另一个则跨越直接区和间接区。这种混合双激子作为光学增益的来源，其俄歇复合通道比传统全直接双激子更少，因此具有更长的寿命（约19纳秒），如图1c和d的叠加原理示意图所解释。

图1 | I+II型量子点中的混合直接/间接双激子。 a，I+II型异质结构示意图，由直接区、间接区和分隔它们的能量势垒组成。该结构设计使得间接激子在能量上优于直接激子（左图）。在间接激子态中，电子和空穴空间分离，分别位于间接区和直接区。在直接激子态中，电子和空穴均位于直接区。直接激子态比间接激子态能量高Δd,i，该值应大于热力学能量kBT。混合双激子由直接和间接激子组成（右图）。b，I+II型量子点中单激子和双激子态的能级。由于库仑排斥作用，混合直接/间接双激子与全间接双激子之间的能量差应小于kBT。c,d，叠加原理应用于传统双激子和混合双激子的俄歇衰减过程。传统双激子通过两个负电 trion 和两个正电 trion 通道衰减，俄歇速率为rA,XX = 2rA,X−+ 2rA,X+。在混合双激子中，仅有一个正电 trion 通道活跃，因此rA,XiXd = rA,X+。

为了理解其增益特性，团队发展了针对I+II型量子点的光学增益模型（图2）。与标准量子点的三态模型（基态、单激子、双激子）不同，新模型基于基态、间接激子态和混合双激子态。理论分析表明，降低增益阈值的关键在于延长双激子寿命并降低双激子与单激子寿命的比值。计算显示，I+II型量子点的理论增益阈值（g1/2 = 0.16 ns⁻¹）不仅远低于传统量子点，甚至优于俄歇复合被完全抑制的理想型量子点，这得益于其极低的τXX/τX比值（~0.02）和较长的双激子寿命。

图2 | 标准量子点和I+II型量子点的光学增益模型。 a，标准光学增益模型考虑由带边电子和空穴态（假设为二重自旋简并）衍生的基态、单激子态和双激子态。自旋向上和向下的状态用短红箭头表示。长灰色箭头表示导致光吸收（向上箭头）和受激发射（向下箭头）的自旋允许光学跃迁。b，基态、单激子态和双激子态对光学增益的贡献取决于它们的占据概率以及它们参与的光学跃迁数量。c，对于I+II型量子点，光学增益可以用基态、间接激子态和混合双激子态及其对应概率来建模。d，基态和间接激子态分别贡献两个和一个吸收跃迁。受激发射由混合双激子态的一个跃迁贡献。因此，增益系数可表示为G ∝ γ(Pid – Pi – 2P0)。

团队成功合成了具有CdSe核、组分渐变Cd₁₋ₓZnₓSe势垒、CdS壳和ZnS保护层的I+II型量子点（图3a）。光谱表征确认了其具有直接（2.01 eV）和间接（1.96 eV）激子的双峰发射，且间接激子寿命长达740纳秒（图3b,c）。通过分析不同泵浦强度下的荧光动力学，成功分离出混合双激子（τid = 19 ns）和全间接双激子（τii = 110 ns）的寿命（图3d）。与参考样品（传统薄壳、巨型厚壳和紧凑组分渐变量子点）相比，I+II型量子点在增益寿命和阈值上展现出显著优势。

图3 | I+II型量子点的结构特征和光致发光特性。 a，I+II型量子点中电子和空穴限制势的径向分布图。该量子点由半径为2.6 nm的CdSe核、厚度为1.7 nm的组分渐变Cd1−xZnxSe势垒、厚度为2.2 nm的CdS壳以及厚度为0.3 nm的ZnS保护层组成。b，底部：条纹相机PL测量结果，显示为PL强度随时间（纵轴）和光谱能量（横轴）变化的二维图谱。样品在对应于平均每点激子数 = 0.1的脉冲能量下激发。顶部：时间积分PL光谱可以表示为归属于直接激子和间接激子的两个高斯带的叠加。c，在亚单激子泵浦水平下，在1.96 eV和2.01 eV处测得的光谱分辨PL动力学。d，在2.01 eV处测得，对应于 = 0.1和0.7的PL动力学曲线，归一化至1微秒处。通过两条曲线相减得到的双激子衰减用双指数函数拟合，其时间常数19 ns和110 ns分别对应于混合双激子和全间接双激子的寿命。

在模拟连续泵浦的放大自发辐射实验中，团队使用230纳秒的长脉冲泵浦来避免热积累。如图4所示，对于I+II型量子点薄膜，当平均每点激发率达到0.078 ns⁻¹时，边缘发射光谱中出现了尖锐的ASE峰（2.02 eV）。其ASE阈值远低于所有参考样品，甚至低于理想型量子点的辐射极限（图4c）。变条长测量进一步证实其材料增益系数高达1260 cm⁻¹。

图4 | 模拟连续泵浦下的放大自发辐射。 a，在模拟连续光激发下，量子点薄膜中ASE的示意图。使用长条形脉冲泵浦激发，发射光子从薄膜边缘收集。b，左图：对于I+II型量子点薄膜，边缘发射光的泵浦强度依赖性PL光谱。泵浦强度表示为平均每点激发率。右图：ASE开始前后的PL光谱，使用线性强度坐标。c，I+II型量子点、参考样品以及理想型量子点的理论光学增益阈值与实验测得的ASE阈值比较。

基于优异的增益特性，研究团队构建了以低功率连续激光二极管（电调制产生微秒脉冲）为泵浦源的分布式反馈激光器（图5a）。在77K下，当泵浦强度达到0.56 kW cm⁻²时，表面发射光谱中出现线宽仅0.8 meV的尖锐激光峰，发射强度超线性增长（图5b左，c）。阈值功率仅约300 mW，易于实现。该器件在室温下同样工作，阈值升至3.6 kW cm⁻²（图5b右，c），对应功率约1.9 W，仍处于商用低功耗光源可及范围。

图5 | 基于I+II型量子点、由连续激光二极管泵浦的DFB激光器。 a，上：量子点激光器示意图，由沉积在SiO2基底上的一维DFB光栅顶部的I+II型量子点层构成。下：示例DFB光栅的截面扫描电子显微镜图像。b，左：在77K样品温度下，使用连续激光二极管泵浦时，表面发射光的光谱随泵浦强度的变化。右：在室温下的类似测量。c，在77K和298K下，器件在激光谱线峰值处的发射强度随泵浦强度的变化函数。

此外，得益于长增益寿命和高材料增益，I+II型量子点在飞秒脉冲泵浦下也表现出色。团队在完全堆叠的电致发光器件（图6a-c）中实现了室温激光，该器件结构类似于发光二极管，集成了DFB光栅，在光泵浦下阈值对应平均每点激子数约为2.1。同时，他们还制备了由密集量子点构成的微盘激光器（图6d-f），在飞秒泵浦下实现了回音壁模式激光，且在较高泵浦下激光模式覆盖超过200 meV的带宽，展现了极宽的光学增益带宽。

图6 | 基于I+II型量子点、在飞秒光脉冲激发下工作的电致发光活性器件和微盘激光器。 a，完全堆叠的电致发光活性器件示意图。b，电流聚焦器件的电致发光光谱。c，同一器件在光激发下的表面发射光谱随泵浦能量的变化。插图：峰值发射强度随泵浦能量的变化。d，上：量子点微盘激光器示意图及其俯视SEM图像。下：轮廓仪测量显示微盘具有约200 nm的高度。e，半径为5微米的量子点微盘在不同泵浦能量下的表面发射光谱。f，在1.98 eV和2.09 eV激光模式位置，表面发射光的峰值强度随泵浦能量的变化测量。

这项研究标志着胶体量子点激光器向实用化迈出了重要一步。通过创新的I+II型量子点设计和混合激子增益机制，成功将连续泵浦激光阈值降低至可用普通激光二极管实现的水平。所展示的低阈值DFB激光、可在电致发光架构中工作的原型激光二极管以及宽带微盘激光器，充分证明了这类材料作为多功能光学增益介质的强大潜力。这项工作不仅为解决胶体量子点激光器长期面临的高阈值和过热难题提供了有效方案，也为未来开发可溶液加工、波长可选、可集成的片上激光光源和最终实现电泵浦量子点激光二极管奠定了坚实的材料与器件基础。