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研究背景

藍色激光在現代科技中扮演著越來越重要的角色，廣泛應用于激光顯示、打印、數據存儲和醫療技術等多個領域。現有的藍色發光材料，如鉛和鎘基量子點，因其高毒性，限制了它們的廣泛應用。為了尋求安全且高效的替代材料，ZnSe-ZnS量子點因其低毒性和良好的光學特性逐漸成為研究重點。雖然ZnSe-ZnS量子點在激光應用中具有巨大的潛力，但其激光性能仍有缺陷，特別是在效率和穩定性方面。

成果簡介

基于此，大連化物所吳凱豐教授和楊陽教授等人利用ZnSe-ZnS核殼量子點的優異特性，成功實現了可調控且穩定性優異的藍光激光，克服了傳統量子點激光中因鎘和鉛等有毒金屬限制其應用的問題。這些量子點具有抑制Auger重組的能力和較長的光學增益壽命，允許在準連續波激發條件下應用。該研究以“Blue lasers using low-toxicity colloidal quantum dots”為題，發表在《Nature Nanotechnology》期刊上，展示了ZnSe-ZnS核殼量子點該領域中的巨大應用潛力。

吳凱豐，中國科學院大連化學物理研究所研究員、博士生導師、研究組長。2010年獲中國科大學士學位，2015年獲美國埃默里大學化學博士學位，之后在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室開展博士后研究，2017年5月加入中國科學院大連化物所，入選多個國家高層次人才專項。擔任J. Phys. Chem. Lett.、ACS Energy Lett.等國內外期刊編委。主要研究領域是量子點等低維材料的激子、載流子與自旋超快動力學及其在新型能源、量子和發光技術中的應用。

迄今以第一/通訊作者身份發表Science、Nature Mater.（3篇）、Nature Nanotechnol.（4篇）、Nature Photonics（3篇）、Nature Energy、Nature Commun.（7篇）、JACS/Angew/Chem/AM（30篇）等。曾獲得科學探索獎、中國科學院青年科學家獎、中國科學院青年五四獎章、中國化學會青年化學獎、美國化學會Victor LaMer獎、日本化學會杰出講座獎、美國物理學會Future of Chemical Physics獎等。

研究亮點

1.低毒性材料：ZnSe-ZnS核殼量子點避免了傳統藍光激光中使用的鎘和鉛等有毒金屬，具有優異的環保性和安全性。

2.優越的激光性能：ZnSe-ZnS核殼量子抑制了Auger重組，使得在準連續波激發下能夠穩定地輸出窄線寬（<0.2 nm）和可調波長的藍光激光，超越了現有藍光染料激光器的性能。

3.廣泛應用潛力：這種新型液態激光器在激光顯示、數據記錄和醫療技術等多個領域具有顯著的應用潛力，為未來的激光技術發展提供了新的思路。

圖文導讀

牛！他，「國家高層次青年人才」，博畢2年即任大化所博導，新發Nature Nanotech.！

圖1 ?ZnSe-ZnS量子點的表征

圖1展示了ZnSe-ZnS核殼量子點的多項特性，涉及其形態、成分和光學性能。首先，暗場掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像顯示量子點具有納米級的結構，提供了其形貌的直觀證據。其次，通過能量色散X射線光譜（EDX）線掃描分析，確認了量子點內部元素的分布，特別是Se元素在核外延伸，表明量子點的核殼界面存在合金化結構，這種設計有效抑制了Auger重組，提升了其光學性能。在光學特性方面，穩態吸收譜和光致發光（PL）光譜的測量結果顯示，量子點的第一激發態吸收峰從397 nm紅移至412 nm，而PL峰位于420 nm，量子產率測得約為50%。這些結果表明，ZnSe-ZnS核殼量子點在光學發射方面具有良好的表現。此外，時間分辨PL動力學分析顯示出雙指數衰減行為，反映了不同厚度的殼層導致了不同的發光壽命。

圖 2 ?ZnSe-ZnS量子點的飛秒瞬態吸收特性與光學增益分析

圖2展示了ZnSe-ZnS量子點的飛秒瞬態吸收（TA）特性和光學增益的相關數據。首先，圖中包括在不同延遲時間下的TA光譜，反映了量子點在355 nm激光激發下的動力學行為。在較低的泵浦能量下（如11.7 μJ cm^-2），TA光譜主要顯示在412 nm處的激子漂白特征，這表明了基態被激發的填充現象。當泵浦能量增大到2,744 μJ cm^-2時，TA光譜出現多個漂白特征，表明高能激發態的順序填充。此外，量子點的雙激子重組動力學通過從較低激發態的TA動力學中減去高激發態的TA動力學來獲得，得出的雙激子壽命為1.2 ns，這一數值顯著高于先前報道的其他類型量子點。最后，通過結合早期時間的TA光譜與穩態吸收譜，推導出量子點的光學增益特性，顯示出在不同激發條件下的增益寬度和增益壽命。

圖3 基于ZnSe-ZnS量子點溶液的飛秒和納秒激發下的受激自發輻射

圖3展示了ZnSe-ZnS量子點在飛秒和納秒激發下的受激自發輻射（ASE）特性。圖中首先顯示了在355 nm、約100 fs脈沖激發下，量子點溶液的邊緣收集的光致發光（PL）光譜，隨著泵浦能量的增加，出現了423 nm處的尖銳ASE峰，這表明從自發發射轉變為受激發射。在低泵浦能量（<1.7 μmol/L）下，量子點的PL表現為寬光譜，而超過閾值后，ASE強度隨泵浦能量的超線性增長。接著，圖中還展示了在7 ns脈沖激發下，量子點的光譜行為，表明ASE峰的出現和強度的增加，與飛秒激發結果相似。圖3的結果強調了ZnSe-ZnS量子點在兩種激發條件下均能實現有效的ASE，且其方向性顯著。此外，量子點溶液在高濃度下保持了良好的穩定性和高方向性，展示了其作為液態激光材料的潛力。

圖4 ?量子點激光器的光譜特性

圖4展示了在納秒激發下，使用Littrow腔實現的可調液態激光特性。圖中首先描述了實驗配置，其中高反射銀鏡和光柵構成腔體，通過355 nm、7 ns脈沖激光激發ZnSe-ZnS量子點溶液。圖示顯示了通過旋轉光柵調節激光波長的過程，激光輸出波長范圍在417至424 nm之間，并且在419.9 nm處實現了高達39 mJ cm?2的激光閾值。圖中還表明激光輸出的光譜線寬可低至0.2 nm，顯示了該激光器的優良光學特性。此外，圖4的結果強調了該Littrow腔設計的有效性，使得液態激光器能夠在不同波長之間進行靈活調整。

圖5 激光的方向性、相干性、偏振和穩定性

圖5展示了ZnSe-ZnS量子點激光的方向性、相干性、偏振性和穩定性特征。首先，激光束在距離腔體7 cm處的強度分布符合高斯分布，表明激光束具有良好的方向性和聚焦能力，發散角約為1.0 mrad，束腰半徑為0.62 mm。其次，通過Michelson干涉儀測量激光的相干性，結果顯示在200 fs的時間延遲下仍能觀察到明顯的干涉條紋，表明激光具有較高的相干性。偏振測量結果顯示激光輸出具顯著線性偏振性，強度與偏振片的旋轉角度呈sin²θ關系。最后，穩定性測試表明，ZnSe-ZnS量子點激光在6 h內幾乎沒有強度衰減，而傳統染料激光的強度在6 min內下降一半。

結論展望

本研究成功設計了基于低毒性ZnSe-ZnS核殼量子點的藍光激光，展示了其優越的光學特性和應用潛力。通過抑制Auger重組，量子點實現了高增益和長激光壽命，適應了飛秒和納秒激發的受激自發輻射（ASE）條件。該量子點激光在方向性、相干性和穩定性方面均表現出色，尤其是在液態激光應用中具備明顯優勢。ZnSe-ZnS量子點有望拓展至更廣泛的激光應用領域，包括激光顯示、醫療設備和傳感器等。此外，通過優化量子點的合成和結構設計，進一步提高其發光效率和穩定性，將推動量子點激光器的商業化進程。未來的研究可集中于探索不同波長和新型合金量子點，以實現更高性能的激光器，從而推動光電子技術的進一步發展。

文獻信息

Blue lasers using low-toxicity colloidal quantum dots. Nature Nanotechnology,

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