Нанолазеры — это полупроводниковые наногетероструктуры, где приставка «нано-» сообщает только о размере, нанометр равен 10-9 м. Сама гетероструктура представляет по сути, монокристалл, для конструирования которого применяются два различных по своему химическому составу материала: в полупроводнике находится чужеродный слой таким образом, что граница между различными материалами становится бездефектной. Именно этот момент весьма долгое время считался неосуществимым.
Развитие полупроводниковых лазеров было связано с кванторазмерными эффектами в тонких пленках, так как прогресс в уменьшении основного показателя эффективности, порогового тока, фактически встал. Это объясняется тем, что область потенциальных носителей заряда в узкозонном слое была все еще весьма толстой. Но если данный слой сделать достаточно тонким, то электрон станет испытывать интерференцию (взаимодействовать с другими пучками электронов), как свет на тонкой бензиновой пленке. В жизни это становится причиной увеличения мощности светового потока геторолазера, что позволяет его использовать в устройствах хранения информации. Появление новых физических свойств у нанолазера дает возможность записи на CD существенно большего количества данных.
Нанолазер миниатюрный
Американские работники науки создали миниатюрные лазеры, которые можно пременять в полупроводниковых чипах. Подобные "нанотрубки", диаметр которых равен всего одной стомиллионной доле миллиметра, позволят в перспективе сделать информационные технологии более компактными и в то же время - более быстрыми.
Ученые из Гарвардского университета под предводительством Чарльза Либера смогли создать однотрубочные лазеры из полупроводникового материала сульфид кадмия.
Лазеры в наше время широко применяются в телекоммуникационной сфере и, например, в медицине, но уменьшение их габаритов в тысячи раз способно сильно расширить сферу их применения.
Нынешние лазеры слишком велики для того, чтобы можно было непосредственно использовать их в полупроводниковых чипах, но переход к наномасштабам дает возможность решить проблему. Несколько ученых коллективов уже смогли создать нанолазеры (так, первый ультрафиолетовый лазер из оксида цинка был получен еще в 2001). Но для их включения и выключения была необходима оптическая накачка, где применялось излучение другого лазера; в то же время, в подавляющем количестве приложений требовались лазеры, управление которыми можно было бы осуществлять электрически.
Впервые подобного эффекта удалось добиться группе Либера, создавшей лазер на основе нановолокна из сульфида кадмия, находящегося на кремниевой подложке. Электрический контакт здесь осуществляется при помощи слоя металлического проводника, нанесенного поверх нановолокна. Если на него подать конкретно определенное напряжение сквозь структуру начинает проходить ток, а концы нановолокон испускают голубовато-зеленый свет с длиной волны около 490 микрометров.
По достижении током определенного предела, излучение становится почти монохромным, что есть верный признак индуцированного лазерного излучения. Другие полупроводниковые материалы, вроде нитрида галлия и фосфида индия, дают возможность продуцировать лазерное излучение в широком диапазоне длин волн - практически перекрывая всю спектральную область от ультрафиолета до инфракрасного излучения.
Не взирая на то, что ряд технических проблем еще в процессе решения, ученые из Гарварда считают, что возможности применения новых лазеров в ряде областей - например, в химических и биологических сенсорах, в микроскопии и лазерной хирургии - уже появились на горизонте.
Наноструктурные технологии, используемые для формирования светодиодных гетероструктур, уже позволяют получать мощные полупроводниковые источники света с рекордными характеристиками по светоотдаче. Фактически мы стоим на пороге революционного переворота в области светотехники, когда мощные белые светодиоды будут вытеснять в области общего освещения сначала лампы накаливания, а затем и люминесцентные лампы.
Полупроводниковые источники света обладают следующими преимуществами по сравнению с традиционными источниками:
снижение электропотребления для общего освещения в 5–7 раз;
снижение затрат на обслуживание в 4–5 раз за счет увеличения времени наработки до отказа до 50 000 часов;
исключение негативного воздействия на человека ультрафиолетового и электромагнитного излучений от средств освещения;
электробезопасность за счет перехода на низкое (менее 36 В) напряжение вторичного питания;
экологическая чистота и безопасность средств освещения.
Полупроводниковая светотехника, являясь эффективной энергосберегающей технологией, за последние годы получила бурное развитие практически во всех странах мира. Первой страной, которая осуществит революцию полупроводникового освещения, станет Китай. Второе место по темпам развития полупроводникового освещения принадлежит другим странам Азии, третье – Европе, а США – только четвертое.
Полупроводниковое освещение весьма активно внедряется на авиационном и железнодорожном транспорте. Для большинства транспортных применений преимущество систем освещения состоит в их малом тепловыделении и небольшом размере. Поэтому светодиодные системы освещения являются оптимальным выбором для железных дорог.
Одна из наиболее масштабных областей применения полупроводникового освещения – ЖКХ. Полупроводниковое освещение поможет сократить затраты на обслуживание, уменьшить потребление энергии и предотвратить вандализм в неохраняемых местах. Использование полупроводниковых источников света для внутриквартирного и офисного освещения станет возможным с решением проблемы стандартизации критериев энергосбережения, определения требований к допустимой деградации светового потока со временем и требований к индексу цветопередачи.
Хотя наиболее впечатляющей областью применения полупроводниковых источников света в автомобильной светотехнике являются фары переднего света, их разработка особенно сложна из-за повышенных требований к величине светового потока и к отводу тепла. Очевидно, первые разработки фар переднего света будут совмещать наиболее мощные традиционные источники света (например, металл-галогенную HID лампу) с полупроводниковыми.
Развитие технологий полупроводникового освещения будет происходить, в первую очередь, за счет совершенствования эпитаксиального выращивания полупроводниковых гетероструктур методом MOCVD (Metalorganic chemical vapour deposition), а также совершенствования подложечного материала на основе лейкосапфира и освоения новых подложечных материалов GaN и AlN, что приведет к резкому повышению качества и эффективности гетероструктур. С другой стороны, должна совершенствоваться конструкция для обеспечения отвода тепла при больших рабочих токах. Большое значение имеют работы по созданию высокоэффективных широкополосных люминофоров, обеспечивающих как высокую стабильную светоотдачу, так и высокий индекс цветопередачи генерируемого белого света.