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新型纳米晶体让彩色激光“降价”？

http://cn.newmaker.com 6/8/2007 9:55:00 AM 佳工机电网

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展厅 1	激光器展厅半导体激光器, 固体激光器, Er:YAG激光器, CO2激光器, 光纤激光器, ...

从家用DVD机到超市的条形码扫描仪，我们日常使用的电子激光一般都是红色的。不过，美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的物理学家Victor Klimov及其同事日前在《自然》杂志发表论文，介绍了他们研制出的一种新型纳米晶体，这种晶体使用较少能量就可增强光线。据称，通过这种途径可以制造廉价的彩色激光器。

半导体材料中，2～10纳米大小的晶体称为量子点。量子点可以释放不同颜色的明亮荧光。量子点的制作过程简单，成本低廉，并且，与现在的气体和二极管激光器都只能发射单色光不同，只要改变纳米晶体的大小，人们就可轻而易举地获得不同颜色的光。半导体材料中的电子有高、低两个能级，能级间的带隙决定着激光的波长。Klimov表示，在纳米晶体中，带隙会随着晶体薄片的尺寸而改变——尺寸越小，带隙越大。因此，通过改变晶体尺寸，纳米晶体激光器可以发射从紫色到绿色的光。

据麻省理工学院《技术评论》杂志报道，量子点已经被用于医学成像，正要用于光电电池和LED。纳米晶体激光器还可以安装到无线通信光纤或者医用、化学制品硅传感器中。美国罗切斯特大学的化学教授Todd Krauss表示，这些设备安装了纳米晶体激光器之后操作起来非常简单，“要比建造数百万美元的装配线方便多了”。同时，研究人员已经花了10年的时间想要用半导体纳米晶体制作激光器。但是，目前需要用价值30万美元的激光轰击晶体，才能制造出一个纳米晶体激光器。

要使材料发光必须使其电子被激发。电子被某一特定能量的光子激发后从低能态跃迁到高能态，留下一个正电空穴，这一过程会释放两个光子。释放的光子离开材料就会产生光，但如果光子被材料中未激发的电子吸收，则不会发光。因此发光的关键是要使材料中的多数电子处于激发态，保证出来的光子比进去的多。

在半导体纳米晶体中，两个电子通常处于低能级。如果同时激发这两个电子，会产生两个电子空穴对。但是，在微小的晶体中，这两个电子空穴对会相互作用，50皮秒（微微秒）内就会正负抵消，而这个时间还不够增强光线。

洛斯·阿拉莫斯国家实验室的研究人员找到一个解决该问题的好办法：他们制作了一个双层纳米晶体——内部是一个硫化镉核，外层包裹着硒化锌壳，这种纳米晶体只增强一个电子空穴对的光。据Klimov介绍，通过这种分割，电子老老实实呆在核中，而空穴进入外壳。这种分割改变了纳米晶体的性质——晶体中两个处于低能级的电子中，一个比另外一个需要大得多的能量才能激发。因此，受激发时，只有一个电子会被激发，形成一个电子空穴对。这样的话，当外部光子轰击时，只有一对电子空穴对重组，产生的两个光子都被释放出去。现在，研究人员只要用较小的能量轰击纳米晶体，就可以使受激发的单个电子维持2纳秒的激发态，这个时间足够增强光线。

在没有这种方法之前，必须用昂贵的高能激光轰击纳米晶体才能制造出纳米晶体激光器。但最终，实用的纳米晶体激光器必须能够用电驱动。Krauss表示，这项发现离电能驱动又进了一大步。Alexander Efros是华盛顿海军研究实验室的理论物理学家，也是纳米晶体量子点研究的先驱。他认为，该项研究为用纳米晶体量子点制造激光器“打开了一扇大门”。

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