根特大学Nature Nanotechnology: 纳米晶体中的带隙重整实现光增益和激光

• 【导读】

半导体纳米晶体具有优秀的发光性能、独特的激子动力学以及良好的溶液可操作性，不仅在发光、显示等领域应用广泛，也是极具潜力的激光器增益材料。前期的研究聚焦于处于紧束缚尺寸的半导体纳米晶，虽然已经取得了显著的研究成果，然而，由于紧束缚纳米晶的本征属性，使得目前我们无法找到一种纳米晶材料能够同时实现低激光产生阈值、长能级反转寿命并且增益系数与激光器共振腔损耗的匹配。这严重限制了纳米晶在激光领域的应用。

• 【成果掠影】

近日，比利时根特大学Pieter Geiregat团队在Nature Nanotechnology发表了新的研究论文，提出采用尺寸显著大于相应玻尔半径的、不具有量子限域效应的CdS纳米晶中的大的带隙重整可以同时获得高的材料增益、低的激光产生阈值和长的能级反转寿命，并展示了基于该策略在准连续激发下能够获得放大自发发射和激光发射。在本项研究中，作者首先合成了高质量的尺寸在12 nm的纤锌矿相的CdS纳米晶体，并通过瞬态吸收光谱探明了本材料的材料增益范围在465-550 nm，增益系数超过20000 cm^-1且能级反转寿命接近3 ns。在此基础上，作者展示了基于此项策略所获得的放大自发发射和激光。最后，作者通过理论模型解释了在体相纳米晶中能够获得如此优秀的激光产生性能的原因是显著的带隙重整。

相关研究文章以“Optical gain and lasing from bulk cadmium sulfide nanocrystals through bandgap renormalization”为题发表在Nature Nanotechnology上。

• 【核心创新点】

本文通过创新性地采用体相CdS纳米晶，利用其较显著的带隙重整效应，成果获得了高材料增益、低阈值和长能级反转寿命的增益介质。

• 【数据概览】

图1. CdS体相纳米晶的光物理性能。©2023 Springer Nature

图2. CdS体相钙钛矿薄膜中的放大自发发射。©2023 Springer Nature

图3. 光泵浦产生激光。©2023 Springer Nature

图4. 体相增益模型的定量分析。©2023 Springer Nature

图5. CdS体相纳米晶的增益阈值和动力学 ©2023 Springer Nature

• 【成果启示】

本项研究为探索新型的纳米晶激光器提出了新的思路。文章中所采用的CdS体相纳米晶的发光量子效率仍然较低，若能进一步提升其量子效率，降低非辐射弛豫，有望进一步优化各项参数。

原文详情：Ivo Tanghe, Margarita Samoli, Isabella Wagner, Servet Ataberk Cayan, Ali Hossain Khan, Kai Chen, Justin Hodgkiss, Iwan Moreels, Dries Van Thourhout, Zeger Hens, Pieter Geiregat, Optical gain and lasing from bulk cadmium sulfide nanocrystals through bandgap renormalization. Nature Nanotechnology (2023).

DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-023-01521-0

本文由NSCD供稿。