Исследовательская группа, возглавляемая лауреатом Нобелевской премии 2014 года Хироши Амано из Института материалов и систем устойчивого развития (IMaSS) Университета Нагои в Центральной Японии в сотрудничестве с корпорацией Asahi Kasei, успешно провела первую в мире непрерывную генерацию лазерного диода с глубоким ультрафиолетовым излучением при комнатной температуре (длины волн до области UV-C ).
Эти результаты, опубликованные в журнале Applied Physics Letters, представляют собой шаг к широкому использованию технологии с потенциалом для большого спектра применений, включая стерилизацию и медицину.
С момента их появления в 1960-х годах и после десятилетий исследований и разработок была наконец достигнута успешная коммерциализация лазерных диодов (LDs) для ряда применений с длинами волн от инфракрасного до сине-фиолетового. Примеры этой технологии включают устройства оптической связи с инфракрасными LDS и диски Blu-ray, использующие сине-фиолетовые LDs.
Однако, несмотря на усилия исследовательских групп по всему миру, никто не смог разработать LDs с глубоким ультрафиолетовым излучением. Ключевой прорыв произошёл только после 2007 года с появлением технологии изготовления подложек из нитрида алюминия (AlN), идеального материала для выращивания плёнки из нитрида алюминия и галлия (AlGaN) для ультрафиолетовых светоизлучающих устройств.
Начиная с 2017 года исследовательская группа профессора Амано в сотрудничестве с Asahi Kasei, компанией, поставлявшей 2-дюймовые AlN-подложки, начала разрабатывать LD с глубоким ультрафиолетовым излучением. Поначалу достаточная подача тока в устройство была слишком сложной задачей, что препятствовало дальнейшему развитию лазерных диодов UV-C.
Но в 2019 году исследовательская группа успешно решила эту проблему, используя метод легирования, вызванный поляризацией. Впервые они создали коротковолновый ультрафиолетово-видимый (UV-C) LD, который работает с короткими импульсами тока. Однако входная мощность, необходимая для этих импульсов тока, составляла 5,2 Вт. Это было слишком большое значение для непрерывной генерации, поскольку такая мощность привела бы к быстрому нагреву диода и прекращению восстановления.
Но теперь исследователи из Университета Нагои и Асахи Касей изменили структуру самого устройства, уменьшив мощность привода, необходимую для работы лазера всего на 1,1 Вт при комнатной температуре. Было обнаружено, что более ранние устройства требуют высоких уровней рабочей мощности из-за невозможности эффективного прохождения тока из-за дефектов кристаллов, возникающих на лазерной полосе. Но в этом исследовании учёные обнаружили, что сильная деформация кристаллов создаёт эти дефекты.
Благодаря продуманной подгонке боковых стенок лазерной полосы они подавили дефекты, добившись эффективного протекания тока в активную область лазерного диода и снижения рабочей мощности.
Платформа отраслевого и академического сотрудничества Нагойского университета, называемая Центром комплексных исследований электроники будущего Transformative Electronics Facilities (C-TEFs), сделала возможной разработку новой ультрафиолетовой лазерной технологии. В рамках C-TEFs исследователи и Asahi Kasei, делятся доступом к самым современным оборудованиям в кампусе Университета Нагои, предоставляя им людей и инструменты, необходимые для создания воспроизводимых высококачественных устройств.
Чжан Цзыи, представитель исследовательской группы, учился на втором курсе в Asahi Kasei, когда принял участие в создании проекта. "Я хотел сделать что-то новое", - сказал он в интервью. "Тогда все считали, что лазерный диод с глубоким ультрафиолетовым излучением невозможен, но профессор Амано сказал мне: "Мы добрались до синего лазера, сейчас самое время для ультрафиолета".
Это исследование является важной вехой в практическом применении и разработке полупроводниковых лазеров во всех диапазонах длин волн. В будущем UV-C LDS может быть применён в здравоохранении, для обнаружения вирусов, измерения твёрдых частиц, газового анализа и лазерной обработки высокой чёткости.
"Его применение в технологии стерилизации может стать новаторским", - сказал Чжан. "В отличие от современных методов стерилизации светодиодами, которые не требуют много времени, лазеры могут дезинфицировать большие площади за короткое время и на больших расстояниях". Эта технология может быть особенно полезна хирургам и медсёстрам, которым нужны стерилизованные операционные инструменты и чистая вода.
Об успешных результатах было сообщено в двух статьях в журнале Applied Physics Letters.
