Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa chế tạo ra một loại laser bán dẫn mới có thể dễ dàng cải tiến để phát ra ánh sáng trên một ngưỡng rộng màu sắc khác nhau. Dụng cụ xây dựng trên những hạt nhỏ xíu gọi là chấm lượng tử keo (CQD) phát ra những màu sắc ánh sáng khác nhau tùy theo kích cỡ của chúng – thay vì theo thành phần hóa học của chúng.
Laser bán dẫn có mặt trong nhiều công nghệ đa dạng, từ máy hát đĩa DVD đến mạng viễn thông quang học. Trong khi chúng hoạt động hiệu quả và giá thành thấp, thì màu sắc của chúng được xác định bởi dải khe điện tử của chất bán dẫn đó, nghĩa là với mỗi màu sắc đòi hỏi có một tập hợp chất liệu và cấu trúc khác nhau. Việc tích hợp những laser có màu sắc khác nhau vào cùng một dụng cụ điện tử, do đó, là rất khó khăn.
Arto Nurmikko và các đồng sự tại trường Đại học Brown ở Mĩ vừa tạo ra một loại laser bán dẫn, trên nguyên tắc, có thể tạo ra ánh sáng thuộc những thành phần màu sắc khác nhau trong khi vẫn có cùng chất liệu và thiết kế. Dụng cụ có tên là laser phát xạ mặt hộp cộng hưởng đứng CQD (CQD-VCSEL). Dụng cụ là một biến thể của VCSEL, một loại laser có bán trên thị trường sử dụng một lớp mỏng hợp chất bán dẫn làm môi trường hoạt tính quang học của nó.
Cuong Dang thuộc trường Đại học Brown đang điều chỉnh một chùm laser xanh lục bơm năng lượng cho CQD-VCSEL, trong trường hợp này phát ra ánh sáng laser đỏ, nhìn thấy ở góc bên trái của hình. (Ảnh: Mike Cohea/Đại học Brown)
Đỏ, vàng và lục
Trong nguyên mẫu của Nurmikko, chất liệu hoạt tính là một màng mỏng CQD, đó là những quả cầu đường kính nanomet của chất bán dẫn cadmium selenide. Trong nghiên cứu của mình, đội khoa học đã sử dụng những CQD có đường kính 4,2 nm để tạo ra một laser đỏ, 3,2 nm cho một laser xanh lục và 2,5 nm để tạo ra ánh sáng xanh lam.
Các CQD được tạo ra bằng một quá trình hóa-ướt, tạo ra một thể vẩn keo đặc gồm những quả cầu nhỏ trong một chất lỏng. Một giọt nhỏ của hỗn hợp kiểu nước sơn này được đặt trên bề mặt của một gương phản xạ phân bố Bragg (DBR) – đó là loại gương đặc biệt dùng trong VCSEL. Sau đó đặt một DBR thứ hai lên trên gương thứ nhất và giọt keo bị nén xuống tạo thành một lớp hoạt tính mỏng cỡ micron.
Đội khoa học chiếu những xung ánh sáng cực ngắn qua cấu trúc kiểu sandwich đó. Thao tác này “bơm” các chấm lượng tử vào một trạng thái năng lượng kích thích được đặc trưng bởi sự có mặt của những cặp electron-lỗ trống gọi là exciton. Một exciton có thể phân hủy bằng cách phát ra một photon, photon có thể bị phản xạ tới lui giữa hai cái gương và kích thích sự phát xạ ra những photon giống hệt như vậy. Hệ quả là hệ sẽ hoạt động giống như một laser.
Quá nhiều exciton
Nhưng để kích thích đủ số chấm lượng tử cho quá trình này xảy ra đòi hỏi công suất rất lớn. Như vậy sẽ làm cho có nhiều hơn một exciton xuất hiện trong một chấm và những chấm này có khả năng phân hủy bằng cách phát ra một electron (quá trình Auger) dễ hơn là phát ra photon. Quá trình này làm giảm hiệu suất của laser CQD, khiến chúng không thực tế.
Để giải quyết vấn đề này, Nurmikko và các đồng sự đã tráng lên các chấm lượng tử cadmium-selenide một hợp kim gồm thiếc, cadmium và sulphur. Đội khoa học tìm thấy những chấm lượng tử mới này hoạt động giống như một laser khi, tính trung bình, mỗi chấm có một hoặc chưa tới một exciton. Điều này có nghĩa là laser này đòi hỏi công suất hoạt động thấp hơn 1000 lần so với những dụng cụ trước đây dựa trên những chấm lượng tử cadmium-selenide chưa tráng hợp kim. Điều này cho phép đội nghiên cứu chế tạo ra CQD-VCSEL hoạt động đầu tiên.
“Chúng tôi đã chứng minh thành công rằng nó không chỉ phát ra ánh sáng, mà còn là ánh sáng laser,” Nurmikko nói. “Trên nguyên tắc, lúc này chúng ta đã có một số cái lợi: sử dụng cùng một hóa chất cho mọi màu sắc, tạo ra laser với một phương pháp không tốn kém, nói đại khái thôi, và khả năng áp dụng chúng cho mọi loại bề mặt bất kể hình dạng ra sao. Như thế thì mọi loại cấu hình dụng cụ trong tương lai đều là có thể.”
“Bước tiến đáng kể”
Yury Rakovich thuộc trường Đại học Basque Country ở Tây Ban Nha đã mô tả nghiên cứu trên là “làm rất tốt và có sức thuyết phục”. Ông phát biểu rằng dụng cụ của Nurmikko và các đồng sự là một bước tiến đáng kể hướng đến những laser đủ màu sắc, cùng một chất liệu. Ông cho biết bước tiếp theo trong sự phát triển của những dụng cụ thực tế là xác định xem CQD-VCSEL có hoạt động theo mode liên tục hay không, thay vì chỉ nghiên cứu mode xung như nhóm Nurmikko đã nghiên cứu. Ông tin rằng các nhà nghiên cứu sẽ cần phải hiểu rõ hơn các quá trình phát laser xảy ra trong những mảng mỏng CQD gói chặt như thế - và nhất là các tương tác giữa từng châm lượng tử có giữ vai trò quan trọng gì hay không trong laser trên.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology 10.1038/nnano.2012.61 .
Xuân Nguyễn – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com
