科學家們已經(jīng)成功地進行了世界上第一次深紫外激光二極管（波長低至紫外-C區(qū)域）的室溫連續(xù)波放電。這些結果代表著向廣泛使用這項技術邁出了一步，該技術具有廣泛的應用潛力，包括消毒和醫(yī)療。

這項研究成果今天（11月24日）發(fā)表在期刊《應用物理學通訊》上，由2014年諾貝爾獎得主天野浩領導的研究小組與旭化成公司合作，在日本中部的名古屋大學材料與系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展研究所（IMaSS）進行。

自20世紀60年代推出以來，經(jīng)過幾十年的研究和開發(fā)，激光二極管（LD）終于成功實現(xiàn)了商業(yè)化，用于波長從紅外到藍紫色的一些應用。這種技術的例子包括使用紅外LD的光通信設備和使用藍紫色LD的藍光光盤。然而，盡管世界各地的研究小組都在努力，但沒有人能夠開發(fā)出深紫外LD。2007年以后，隨著制造氮化鋁（AlN）基板的技術的出現(xiàn)，才出現(xiàn)了一個關鍵的突破，這是一種用于生長紫外發(fā)光器件的氮化鋁（AlGaN）薄膜的理想材料。

科學家們在世界范圍內(nèi)首次展示了深紫外激光二極管在室溫下的連續(xù)波放電。資料來源：Issey Takahashi

從2017年開始，天野教授的研究小組與提供2英寸AlN基板的旭化成公司合作，開始開發(fā)深紫外LD。起初，向設備中充分注入電流過于困難，阻礙了紫外-C激光二極管的進一步發(fā)展。但在2019年，該研究小組利用極化誘導的摻雜技術成功地解決了這個問題。他們首次生產(chǎn)出了一種短波長的紫外線-可見光（UV-C）LD，該器件以短脈沖電流運行。然而，這些電流脈沖所需的輸入功率為5.2瓦。這對于連續(xù)波發(fā)光來說太高了，因為功率會導致二極管迅速升溫并停止發(fā)光。

但是現(xiàn)在，來自名古屋大學和旭化成的研究人員已經(jīng)重塑了設備本身的結構，減少了激光器所需的驅(qū)動功率，使其在室溫下的工作功率僅為1.1W。早期的設備被發(fā)現(xiàn)需要很高的工作功率，因為由于激光條紋處出現(xiàn)的晶體缺陷而無法形成有效的電流路徑。但在這項研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，強烈的晶體應變產(chǎn)生了這些缺陷。通過巧妙地裁剪激光條紋的側(cè)壁，他們抑制了這些缺陷，實現(xiàn)了有效的電流流向激光二極管的活性區(qū)域，并降低了工作功率。

名古屋大學的產(chǎn)學合作平臺，即未來電子學綜合研究中心、變革性電子設施（C-TEFs），使新的紫外激光技術的開發(fā)成為可能。在C-TEFs下，來自旭化成等合作伙伴的研究人員可以共享名古屋大學校園內(nèi)最先進的設施，為他們提供建造可重復的高質(zhì)量設備所需的人員和工具。研究小組的代表Zhang Ziyi在參與項目創(chuàng)建時，正在旭化成公司讀二年級。"我想做一些新的事情，"他在接受采訪時說。"當時大家都認為深紫外激光二極管是不可能的，但天野教授告訴我，'我們已經(jīng)做到了藍色激光，現(xiàn)在是紫外線的時候了'。"

這項研究是所有波長范圍的半導體激光器的實際應用和發(fā)展的一個里程碑。未來，紫外-C激光器可應用于醫(yī)療保健、病毒檢測、顆粒物測量、氣體分析和高清激光處理。"它在消毒技術方面的應用可能是開創(chuàng)性的，"Zhang說。"與目前的LED消毒方法不同，它的時間效率很低，激光可以在短時間內(nèi)進行大面積的消毒，而且距離很遠"。這項技術可能特別有利于需要消毒手術室和自來水的外科醫(yī)生和護士。

成功的結果已在《應用物理學通訊》雜志的兩篇論文中報告。