Two-Dimensional Electron–Hole Plasma in Colloidal Quantum Shells Enables Integrated Lasing Continuously Tunable in the Red Spectrum

激光阈值 等离子体 材料科学 电子 胶体 量子 光电子学 原子物理学 纳米技术 物理 化学 量子力学 波长 物理化学
作者
Ivo Tanghe,Korneel Molkens,Tom Vandekerckhove,Dobromił Respekta,A.B. Waters,Jiamin Huang,Jacob Beavon,Dulanjan Harankahage,Chao Yang Lin,Kai Chen,Dries Van Thourhout,Mikhail Zamkov,Pieter Geiregat
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (22): 14661-14671
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c02907
摘要

Combining integrated optical platforms with solution-processable materials offers a clear path toward miniaturized and robust light sources, including lasers. A limiting aspect for red-emitting materials remains the drop in efficiency at high excitation density due to non-radiative quenching pathways, such as Auger recombination. Next to this, lasers based on such materials remain ill characterized, leaving questions about their ultimate performance. Here, we show that colloidal quantum shells (QSs) offer a viable solution for a processable material platform to circumvent these issues. We first show that optical gain in QSs is mediated by a 2D plasma state of unbound electron-hole pairs, opposed to bound excitons, which gives rise to broad-band and sizable gain across the full red spectrum with record gain lifetimes and a low threshold. Moreover, at high excitation density, the emission efficiency of the plasma state does not quench, a feat we can attribute to an increased radiative recombination rate. Finally, QSs are integrated on a silicon nitride platform, enabling high spectral contrast, surface emitting, and TE-polarized lasers with ultranarrow beam divergence across the entire red spectrum from a small surface area. Our results indicate QS materials are an excellent materials platform to realize highly performant and compact on-chip light sources.

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