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JP2003531477A - 光学増幅器およびレーザー - Google Patents

光学増幅器およびレーザー

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Publication number
JP2003531477A
JP2003531477A JP2001569938A JP2001569938A JP2003531477A JP 2003531477 A JP2003531477 A JP 2003531477A JP 2001569938 A JP2001569938 A JP 2001569938A JP 2001569938 A JP2001569938 A JP 2001569938A JP 2003531477 A JP2003531477 A JP 2003531477A
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JP
Japan
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group
gain medium
nanocrystals
gain
laser
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2001569938A
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English (en)
Inventor
ヴィクトル アイ． クリモフ，
アレクサンドル ミクハイロフスキ，
ジェニファー エイ． ホリングスワース，
マウンギ ジー． バウェンディ，
キャサリン エイ． レザーデイル，
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Massachusetts Institute of Technology
Original Assignee
Massachusetts Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Massachusetts Institute of Technology filed Critical Massachusetts Institute of Technology
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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Abstract

(57)【要約】 広いバンドと幅広い範囲で特異的なバンド能力との両方を有する光学増幅器およびレーザーは、半導体ナノクリスタル固体に基づき得る。一般に、ゲイン媒体は、複数の半導体ナノクリスタルを含む。このゲイン媒体は、光放射を増幅するかまたはレイジングにより光放射を生成するために使用され得る。特に、このゲイン媒体は、濃縮された半導体ナノクリスタルの固体（例えば、半導体ナノクリスタルの細密充填フィルム）を含み、この固体は、高いゲインを提供して、短い増幅器またはキャビティの長さにわたって、光学増幅またはレイジングを生成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （優先権主張） 本願は、米国特許出願番号第６０／１８９，２５６（２０００年３月１４日出
願）の優先権を主張し、この内容全体は、本明細書中で参考として援用される。
【０００２】 （連邦政府委託研究または開発） 米国政府は、米国エネルギー省により授与された契約番号Ｗ−７４０５−ＥＮ
Ｇ−３６に従う本発明において特定の権利を有し得る。
【０００３】 （技術分野） 本発明は、広いバンドおよび広い領域特異的バンド能力の両方を有する改良さ
れた光増幅器およびレーザーに関し、より詳細には、半導体ナノクリスタルを含
む固体に基づく光増幅器およびレーザーに関する。
【０００４】 （背景） 光増幅器は、光放射を増幅するためのゲイン媒体（ｇａｉｎ ｍｅｄｉｕｍ）
を使用する。増幅器において、ソース（ｓｏｕｒｃｅ）はゲイン媒体を励起して
、このゲイン媒体の高エネルギー状態と低エネルギー状態との間に集団の反転を
生成する。この励起されたゲイン媒体は、集団の反転の高エネルギー状態と低エ
ネルギー状態との間のエネルギー差に重なるエネルギーで、光放射を増幅し得る
。なぜなら、この媒体からの放射の誘導放射は、光の吸収よりも効率的であるか
らである。一般に、レーザーは、励起されたゲイン媒体にフィードバックを供給
して、増幅された自発的発光を引き起こすキャビティを使用する。レーザーキャ
ビティは、一連の光学要素（例えば、ミラー（これは、ゲイン媒体に関して配置
されて、キャビティに放射を反射し戻し、それによりフィードバックを提供する
）を備え得る。例えば、ゲイン媒体は、安定共振器または不安定共振器内に配置
され得る。あるいは、このゲイン媒体が、以下の式を満たすのに十分な長さＬ、
およびゲイン係数Ｇ（ｃｍ−１）を有する場合、増幅された自発的放射は、外部
光学要素なしで、励起ゲイン媒体において生じ得る： Ｇ／Ｌ＞＞１ ここで、ゲイン係数Ｇは、誘導放射断面積、および集団の反転により生成される
高エネルギー状態および低エネルギー状態の集団密度の差に関連する。
【０００５】 従来のソリッドステートレーザーおよびガスレーザー、ならびに増幅器は、一
般に、レーザー材料に依存して、非常に特異的なスペクトル出力を提供する。利
用可能なゲイン材料を使用して達成し得るか、またはそれほど特異的ではないス
ペクトル出力が所望される場合、色素レーザーまたはチューナブル光学パラメー
ター発振器（ＯＰＯ）または増幅器（ＯＰＡ）が使用され得る。色素レーザーは
、大きくかつかさ高く、そして毒性であり得る流体成分もまた必要とする。
【０００６】 （要旨） 一般に、ゲイン媒体は、複数の半導体ナノクリスタルを含む。このゲイン媒体
は、光放射を増幅するかまたはレイジングにより光放射を生成するために使用さ
れ得る。特に、このゲイン媒体は、濃縮された半導体ナノクリスタルの固体（例
えば、半導体ナノクリスタルの細密充填フィルム）を含み、この固体は、高いゲ
インを提供して、短い増幅器またはキャビティの長さにわたって、光学増幅また
はレイジングを生成する。
【０００７】 １つの局面において、ゲイン媒体は、複数の半導体ナノクリスタルを有する濃
縮固体を含む。
【０００８】 別の局面において、レーザーは、光学ゲイン媒体、およびこの光学ゲイン媒体
に関して配置されてフィードバックを提供するキャビティを備える。光学ゲイン
媒体は、複数の半導体ナノクリスタルを有する濃縮固体を含む。このキャビティ
は、マイクロキャビティであり得る。例えば、このキャビティは、１ｍｍ未満の
長さを有し得る。
【０００９】 別の局面において、光シグナルを増幅する方法は、複数の半導体ナノクリスタ
ルを含む濃縮固体に光ビームを方向付ける工程を包含する。
【００１０】 別の局面において、レーザーを形成する方法は、キャビティを光学ゲイン媒体
に関して配置して、この光学ゲイン媒体にフィードバックを提供する工程を包含
する。この光学ゲイン媒体は、複数の半導体ナノクリスタルを含む濃縮固体を含
む。
【００１１】 この濃縮固体は、実質的に欠陥を含み得ない。欠陥を含む濃縮固体は、欠損（
例えば、散乱）を生じ、その結果、この固体は、光学放射にゲインを提供しない
。この固体は、ナノクリスタルの最大バンドギャップ発光以下のエネルギーで、
光シグナルにゲインを提供し得る。この固体はまた、濃縮固体が実質的に吸収を
有さないエネルギーにおいて、ゲインを提供し得る。
【００１２】 濃縮固体は、０．２容量％より多く、５容量％より多く、１０容量％より多く
、または１５容量％より多くの半導体ナノクリスタルを含む。複数の半導体ナノ
クリスタルの各々は、同じかまたは異なる第１の半導体材料を含む。この第１の
半導体材料は、ＩＩ−ＶＩ族の化合物、ＩＩ−Ｖ族の化合物、ＩＩＩ−ＶＩ族の
化合物、ＩＩＩ−Ｖ族の化合物、ＩＶ−ＶＩ族の化合物、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族の
化合物、ＩＩ−ＩＶ−ＶＩ族の化合物、またはＩＩ−ＩＶ−Ｖ族の化合物（例え
ば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、Ｈｇ
Ｓｅ、ＨｇＴｅ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、Ｇａ
Ａｓ、ＧａＳｂ、ＧａＳｅ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＴｌＮ、Ｔ
ｌＰ、ＴｌＡｓ、ＴｌＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅまたはそれらの混合物
）であり得る。第１の半導体材料の各々は、第２の半導体材料（例えば、ＺｎＯ
、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＭｇＯ
、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＨｇＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＡｌＮ
、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ
、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＴｌＮ、ＴｌＰ、ＴｌＡｓ、ＴｌＳｂ、ＴｌＳ
ｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、またはそれらの混合物）でオーバーコートさ
れる。第１の半導体材料の各々は、第１のバンドギャップを有し、そして第２の
半導体材料の各々は、この第１のバンドギャップより長い第２のバンドギャップ
を有する。各ナノクリスタルは、約１０ナノメートル未満の直径を有し得る。複
数のナノクリスタルは、サイズの単分散分布を有する。複数のナノクリスタルは
、サイズの複数の単分散分布を有する。サイズの複数の単分散分布は、広い範囲
のエネルギーまたは複数の狭い範囲（例えば、７５ｎｍ未満のゲインのＦＷＨＭ
）のエネルギーにわたりゲインを提供し得、ここで、最大ゲインは、別個のエネ
ルギーで起こり、その結果、この狭い範囲の少なくともいくつかはエネルギーに
おける重なりがない。ナノクリスタルの濃縮固体は、基板（例えば、ガラス）上
に配置される。ナノクリスタルの濃縮固体は、約０．２ミクロンより大きな厚み
を有する。
【００１３】 半導体ナノクリスタルを含むゲイン媒体からの光学ゲインは、ナノクリスタル
１個あたりわずか１つの正孔（ｅ−ｈ）だけ過剰な励起密度で生じる。この半導
体ナノクリスタルは、広範囲の整調可能な光学特性（例えば、発光波長および吸
収波長）を提供する。このナノクリスタルは、線吸収およびサイズ依存性光ルミ
ネセンス（ＰＬ）（例えば、発光）のスペクトルにおいて、別個の原子様光学遷
移を示す。この光ルミネセンス特性は、半導体ナノクリスタルのサイズを変えて
、この半導体のエネルギーギャップを変えることによって、調整される。この半
導体のエネルギーギャップは、１／Ｒ２に従って、ナノクリスタルの半径（Ｒ）
に反比例して、バルク半導体値から増加する。例えば、ドット半径を１０ナノメ
ートル（ｎｍ）から０．７ｎｍまで減少させることにより、ＣｄＳｅ量子ドット
におけるバンドギャッは、１．７ｅＶ（深赤色）から３．２ｅＶ（紫外線）まで
変化され得る。約１ｎｍ〜１５ｎｍの間（例えば、１０ｎｍ未満）のＲを有する
半導体ナノクリスタルが、約５％未満のサイズ分散で合成される。改変表面を有
する（例えば、ナノクリスタルをワイドギャップ半導体のシェルでオーバーコー
トすることによって）半導体ナノクリスタルにより、キャリア表面のトラッピン
グの有意な抑制が可能となり、５０％以上まで室温のＰＬ量子効率を増大する。
半導体ナノクリスタルを含むゲイン媒体は、迅速かつ低コストで製造される。こ
の半導体ナノクリスタルは、集積回路を光学的に相互接続するための光学導波管
材料において使用され得る。光学的および電子光学的な同調システムおよびフィ
ルタリングシステムを必要とすることなく、異なる半導体ナノクリスタルを含む
ゲイン媒体、異なるサイズの半導体ナノクリスタル、またはその両方は、非常に
広いバンド幅（すなわち、放射エネルギーの広いバンド）、狭いバンド幅（すな
わち、放射エネルギーの狭いバンド）、または異なる放射エネルギーにおける複
数の狭いバンドまたは広いバンド（すなわち、これらのバンドは、必ずしもエネ
ルギーが重なるわけではない）において、光学ゲインを提供し得る。
【００１４】 他の特徴、目的および利点は、説明および図面、および特許請求の範囲から明
らかになる。
【００１５】 （詳細な説明） 増幅器およびレーザーは、放射を増幅するかまたはレイジングにより放射を生
成するためのゲイン媒体を含む。このゲイン媒体は、複数の半導体ナノクリスタ
ルを含み得る。このナノクリスタルは、吸収波長において、光源を用いて照射さ
れて、発光波長で発光を生じ得る。この発光は、量子閉じこめ（ｑｕａｎｔｕｍ
ｃｏｎｆｉｎｅｄ）半導体ナノクリスタルのバンドギャップに対応する振動数
を有する。このバンドギャップは、ナノクリスタルのサイズの関数である。小さ
な直径を有するナノクリスタルは、物質の分子形態とバルク形態との間の中間の
特性を有し得る。例えば、小さな直径を有する半導体材料に基づくナノクリスタ
ルは、三次元の全てにおいて、電子およびホールの両方の量子閉じこめを示し得
、これは結晶サイズの減少と共に、この材料の有効バンドギャップの増加を生じ
る。従って、ナノクリスタルの光吸収および発光の両方は、この結晶のサイズが
減少するにつれて青色に（すなわち、高エネルギーに）シフトする。
【００１６】 ナノクリスタルからの放出は、狭いガウス放出バンド（Ｇａｕｓｓｉａｎ ｅ
ｍｉｓｓｉｏｎ ｂａｎｄ）であり得、この放出バンドは、ナノクリスタル、ナ
ノクリスタルの組成物、またはその両方のサイズを変化させることによって、紫
外領域、可視領域、または赤外領域のスペクトルの完全な波長領域を変えられ得
る。例えば、ＣｄＳｅは、可視領域において同調し得、そしてＩｎＡｓは、赤外
領域において同調し得る。ナノクリスタルの集団の狭い範囲のサイズ分布は、狭
いスペクトル範囲の光の放出を生じ得る。この集団は、単分散され得、そしてナ
ノクリスタルの直径において１５％ｒｍｓ未満の偏差、好ましくは１０％ｒｍｓ
未満の偏差、より好ましくは５％未満の偏差を示し得る。約７５ｎｍ以下、好ま
しくは６０ｎｍ以下、より好ましくは４０ｎｍ以下、そして最も好ましくは３０
ｎｍ以下の半波高全幅値（ＦＷＨＭ）の狭い範囲のスペクトルの放出が、観測さ
れ得る。この放出の幅は、ナノクリスタルの直径の分散性の減少に従って減少す
る。半導体ナノクリスタルは、例えば、１０％、２０％、３０％、４０％、５０
％、６０％、７０％、または８０％より高い蛍光量子効率を有し得る。
【００１７】 ナノクリスタルを形成する半導体としては、ＩＩ族〜ＶＩ族の化合物、ＩＩ族
〜Ｖ族の化合物、ＩＩＩ族〜ＶＩ族の化合物、ＩＩＩ族〜Ｖの化合物、ＩＶ族〜
ＶＩ族の化合物、Ｉ族〜ＩＩＩ族〜ＶＩ族の化合物、ＩＩ族〜ＩＶ族〜ＶＩ族の
化合物およびＩＩ族〜ＩＶ族〜Ｖ族の化合物（例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｚｎ
Ｔｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＡｌＮ、Ａ
ｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＳｅ、
ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＴｌＮ、ＴｌＰ、ＴｌＡｓ、ＴｌＳｂ、
ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、またはこれらの混合物）が挙げられ得る。
【００１８】 単分散半導体ナノクリスタルを調製する方法は、高温の配位溶媒に注入された
有機金属試薬（例えば、ジメチルカルシウム）の熱分解を含む。これにより、核
形成を減少させ、そしてナノクリスタルの巨視的な量の制御された成長を生じさ
せる。ナノクリスタルの調製および製造は、例えば、米国出願番号０８／９６９
，３０２（本明細書中でその全体が参考として援用されている）に記載されてい
る。ナノクリスタルを製造する方法は、コロイド成長プロセスである。このコロ
イドの成長は、高温の配位溶媒にＭドナーおよびＸドナーを迅速に注入すること
によって生じる。この注入により、ナノクリスタルを形成するために制御された
様式で成長され得る核を生成する。この反応混合物を、穏やかに加熱し、このナ
ノクリスタルを成長およびアニールさせ得る。サンプル中におけるナノクリスタ
ルの平均サイズとサイズ分布との両方は、成長温度に依存する。安定した成長を
維持するための成長温度は、平均結晶サイズの増加に伴って増加する。このナノ
クリスタルは、ナノクリスタルの集団のメンバーである。別個の核形成および制
御された成長の減少の結果として、得られたナノクリスタルの集団は、狭い直径
の単分散分布を有する。この直径の単分散分布はまた、サイズとも呼ばれ得る。
配位溶媒中でのナノクリスタルの制御された成長およびアニーリング、続く核形
成のプロセスによりまた、均一の表面誘導体化および規則的なコア構造が得られ
得る。このサイズ分布が鋭い場合、この温度は、安定的な成長を維持するために
引き上げられ得る。より多くのＭドナーまたはＸドナーを添加することによって
、成長期間が、短縮され得る。
【００１９】 Ｍドナーは、無機化合物、有機金属化合物、または金属元素であり得る。Ｍは
、カドミウム、亜鉛、マグネシウム、水銀、アルミニウム、ガリウム、インジウ
ム、またはタリウムであり得る。Ｘドナーは、Ｍドナーと反応して一般式ＭＸを
有する物質を形成し得る化合物である。代表的に、Ｘドナーは、カルコゲニドド
ナーまたはピニクチドドナー（例えば、ホスフィンカルコゲニド、ビス（シリル
）カルコゲニド、二酸素、アンモニウム塩、またはトリス（シリル）ピニクチド
）である。安定的なＸドナーとしては、以下が挙げられる：二酸素、ビス（トリ
メチルシリル）セレニド（（ＴＭＳ）２Ｓｅ）、トリアルキルホスフィンセレニ
ド（例えば、（トリ−ｎ−オクチルホスフィン）セレニド（ＴＯＰＳｅ）または
（トリ−ｎ−ブチルホスフィン）セレニド（ＴＢＰＳｅ））、トリアルキルホス
フィンテルリド（例えば、（トリ−ｎ−オクチルホスフィン）テルリド（ＴＯＰ
Ｔｅ）またはヘキサプロピルホスホラストリアミドテルリド（ＨＰＰＴＴｅ））
、ビス（トリメチルシリル）テルリド（（ＴＭＳ）２Ｔｅ）、ビス（トリメチル
シリル）スルフィド（（ＴＭＳ）２Ｓ）、トリアルキルホスフィンスルフィド（
例えば、（トリ−ｎ−オクチルホスフィン）スルフィド（ＴＯＰＳ））、アンモ
ニウム塩（例えば、ハロゲン化アンモニウム（例えば、ＮＨ４Ｃｌ））、トリス
（トリメチルシリル）ホスフィン（（ＴＭＳ）３Ｐ）、トリス（トリメチルシリ
ル）アルセニド（（ＴＭＳ）３Ａｓ）、あるいはトリス（トリメチルシリル）ア
ンチモニド（（ＴＭＳ）３Ｓｂ）。特定の実施形態において、ＭドナーおよびＸ
ドナーは、同一の分子内の部分であり得る。
【００２０】 配位溶媒は、ナノクリスタルの成長を制御するのに役立ち得る。配位溶媒は、
ドナー孤立電子対を有する（例えば、成長するナノクリスタルの表面に配位する
のに役立つ孤立電子対を有する）化合物である。溶媒の配位により、成長するナ
ノクリスタルを安定化させ得る。代表的な配位溶媒は、アルキルホスフィン、酸
化アルキルホスフィン、アルキルホスホン酸、またはアルキルホスフィン酸が挙
げられるが、ピリジン、フラン、およびアミンのような他の配位溶媒がまた、ナ
ノクリスタルの生成のために適切であり得る。適切な配位溶媒の例としては、ピ
リジン、トリ−ｎ−オクチルホスフィン（ＴＯＰ）およびトリ−ｎ−オクチルホ
スフィン酸化物（ＴＯＰＯ）が挙げられる。技術グレードのＴＯＰＯが使用され
得る。
【００２１】 この反応の成長段階の間のサイズ分布は、この粒子の吸収線幅をモニタリング
することによって見積もられ得る。この粒子の吸収スペクトルの変化に応答する
、反応温度の改善により、成長の間の急な粒子サイズの分布の維持を可能にする
。反応物を、結晶の成長の間に核形成溶液に添加して、より大きな結晶に成長さ
せ得る。粒子状のナノクリスタルの平均直径で成長を停止させ、そして半導体材
料の適切な組成物を選択することによって、ナノクリスタルの放出スペクトルは
、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲にわたって連続的に同調され得る。このナ
ノクリスタルは、１５０Å未満の直径を有する。ナノクリスタルの集団は、１５
Å〜１２５Åの範囲の平均直径を有する。
【００２２】 このナノクリスタルは、狭いサイズ分布を有するナノクリスタルの集団のメン
バーであり得る。このナノクリスタルは、球形、ロッド、ディスク、または他の
形状であり得る。このナノクリスタルは、半導体材料のコアを含み得る。このナ
ノクリスタルは、式ＭＸを有するコアを含み得：ここで、Ｍは、カドミウム、亜
鉛、マグネシウム、水銀、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、ま
たはそれらの混合物であり、そしてＸは、酸素、硫黄、セレン、テルル、窒素、
リン、ヒ素、アンチモン、またはそれらの混合物である。
【００２３】 このコアは、コアの表面上にオーバーコーティングを有し得る。このオーバー
コーティングは、コアの組成と異なる組成物を有する半導体材料であり得る。ナ
ノクリスタルの表面上の半導体材料のオーバーコートとしては、ＩＩ族〜ＶＩ族
の化合物、ＩＩ族〜Ｖ族の化合物、ＩＩＩ族〜ＶＩ族の化合物、ＩＩＩ族〜Ｖ族
の化合物、ＩＶ族〜ＶＩ族の化合物、Ｉ族〜ＩＩＩ族〜ＶＩ族の化合物、ＩＩ族
〜ＩＶ族〜ＶＩ族の化合物およびＩＩ族〜ＩＶ族〜Ｖ族の化合物（例えば、Ｚｎ
Ｓ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、Ｈ
ｇＴｅ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、Ｇ
ａＳｂ、ＧａＳｅ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＴｌＮ、ＴｌＰ、Ｔ
ｌＡｓ、ＴｌＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、またはこれらの混合物）が挙
げられ得る。例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅまたはＣｄＳのオーバーコーティングは
、ＣｄＳｅまたはＣｄＴｅのナノクリスタル上で成長され得る。オーバーコーテ
ィングプロセスは、例えば、米国出願番号０８／９６９，３０２（これは、本明
細書中でその全体が参考として援用されている）中に記載されている。コーティ
ングの間に反応混合物の温度を調整し、そしてコアの吸収スペクトルをモニタリ
ングすることによって、高い放出量子効果および狭いサイズ分布を有するオーバ
ーコーティングされた材料が得られ得る。
【００２４】 粒子サイズ分布は、米国出願第０８／９６９，３０２（本明細書中で参考とし
て援用される）に記載されるメタノール／ブタノールのような、ナノクリスタル
のための不十分な溶媒を用いるサイズ選択的沈殿によってさらに精錬される。例
えば、ナノクリスタルは、１０％のブタノールのヘキサン溶液中で分散され得る
。メタノールを、乳光が持続するまで攪拌溶液に滴下により添加し得る。遠心分
離による上清と凝集物との分離により、サンプル中の最も大きな結晶で富化され
た沈殿物を生成する。この手順を、光学吸収スペクトルのさらに鋭利化が認めら
れなくなるまで繰り返し得る。サイズ選択的沈殿を、種々の溶媒／非溶媒のペア
（このペアには、ピリジン／ヘキサンおよびクロロホルム／メタノールが挙げら
れる）中で実施され得る。サイズ選択されたナノクリスタル集団は、平均直径の
１５％ｒｍｓ偏差未満、好ましくは、１０％ｒｍｓ偏差以下、そしてより好まし
くは、５％のｒｍｓ偏差以下を有し得る。
【００２５】 ナノクリスタルの外部表面は、成長プロセスの間に使用された配位溶媒から誘
導される化合物の層を含み得る。この表面は、過剰な競合の配位グループへの繰
り返し曝露によって改良され、上層を形成し得る。例えば、キャップされたナノ
クリスタルの分布は、配位有機化合物（例えば、ピリジン）を用いて処理され、
ピリジン、メタノール、および芳香族化合物中で容易に分散する結晶を生成し得
るが、もはや脂肪族溶媒を分散し得ない。このような表面交換プロセスは、ナノ
クリスタルの外部表面と配位または結合し得る任意の化合物（例えば、ホスフィ
ン、チオール、アミンおよびリン酸塩を含む）を用いて実施され得る。ナノクリ
スタルは、表面に対して親和性を示し、そして懸濁物または分散媒体に対して親
和性を有する部分で終結する、単鎖ポリマーに曝露され得る。このような親和性
により、懸濁物の安定性を改良し、そしてナノクリスタルの絮状反応を阻止する
。
【００２６】 半導体ナノクリスタルは、最密ナノクリスタルのようなナノクリスタルの濃縮
固体中に形成され得る。この最密ナノクリスタルは、半導体ナノクリスタルの０
．２容量％より多く、１０容量％より多く、１５容量％より多く、１６容量％と
６７容量％との間、または１８容量％と２０容量％との間に含まれる濃縮固体を
形成し得る。誘導放射（ＳＥ）の発生に必要とされるナノクリスタルの臨界密度
（臨界体積画分ξ）は、以下のように計算され得る。ＳＥの発生は、以下の場合
に可能である： τｓｔ＜τｎｒ （１） ここで、τｓｔは、誘導放射のビルドアップ時間（ｂｕｉｌｄｕｐ ｔｉｍｅ
）であり、そしてτｎｒは、キャリア非放射性崩壊の特徴性時間である。誘導放
射のビルドアップ時間は、ゲインの大きさに反比例する：τｓｔ＝ｎｒ／（Ｇｃ
）、ここで、ｃは、光速であり、そしてｎｒは、サンプルの反射率である。この
表現は、ゲイン断面（σｇ＝Ｇ／ｎ０、ここで、ｎ０は、サンプル中のナノクリ
スタルの密度である）、そしてサンプル中の半導体の体積画分（ξ＝ν０ｎ０、
ここで、ν０は、単一のナノクリスタルの体積である）：τｓｔ＝ν０ｎ０／（
ξσｇｃ）でさらに書き直され得る。等式（１）を使用して、ＳＥの発生に必要
とされる、サンプル中での半導体の臨界体積画分は、以下のように表現され得る
： ξ＝ν０ｎｒ／（σｇｃτｎｒ） （２） ξは、ゲイン断面（ナノクリスタル当たりのゲイン）の増加および非放射性崩
壊の時定数の増加に伴って減少する（すなわち、非放射性キャリアロスの速度が
減少する）。ナノクリスタルにおいて、非放射性崩壊の時間（τｎｒ）は、表面
捕捉の時間とＡｕｇｅｒ組換え時間との間よりも短い。十分に不動体化されたＣ
ｄＳｅナノクリスタルに関して、τｎｒは、Ａｕｇｅｒ崩壊により支配され、こ
こで、τｎｒ＝βＲ３（βは、約５ｐｓｎｍ−３を有する）である。１．３ｎｍ
の半径のＣｄＳｅナノクリスタルについて測定されたσｇ（約１０−１７ｃｍ２ ）に関して、等式（２）から、ξ＞０．２％を得る。
【００２７】 この濃縮された固体は、実質的な欠損を有さず、フィルムが、光源により励起
される場合に光学放射に対してゲインを提供する。欠損を含むナノクリスタル固
体（実質的に欠損を有さないこれらの固体）は、損失（例えば、散乱）を生じ、
その結果、このフィルムは、光源により励起される場合に光学放射におけるゲイ
ンを発生しない。フィルムの厚さは、一般に、約０．２μｍと１０μｍとの間で
ある。
【００２８】 ナノクリスタルの濃縮された固体を、溶媒系において、上記の粉末半導体ナノ
クリスタルを再分散し、そして分散物からナノクリスタルのフィルムをドロップ
キャスティング（ｄｒｏｐ ｃａｓｔｉｎｇ）することによって形成する。ドロ
ップキャスティングのための溶媒系は、ナノクリスタルの外部表面の化学特性、
すなわち、ナノクリスタルが溶媒系中で容易に分散可能であるかどうかに依存す
る。例えば、９：１のヘキサン／オクタン溶媒系を使用して、トリブチルホスフ
ィン（ＴＢＰ）／トリブチルホスフィン酸化物（ＴＢＰＯ）を用いて改変された
表面を有するナノクリスタルのフィルムをドロップキャスティングし得る。ピリ
ジン表面を有するナノクリスタルは、９：１のメタノール／ピリジン溶媒系から
ドロップキャスティングされ得る。このドロップキャスティングフィルムを、真
空下で乾燥する前に、約１２時間〜２４時間の間、不活性な大気下で乾燥する。
代表的に、このフィルムは、基板上に形成される。この基板は、ナノクリスタル
と反応しない任意の物質から作製され得る。この基板は、不透明であるか、また
は光学放射の比エネルギーで透過するように選択される。この基板は、種々の形
態で形成され得る。基板材料の例としては、サファイアおよびシリコンが挙げら
れる。このフィルムを受容する前に、基板を、有機汚染物を表面から除去するた
めに酸素プラズマによって浄化し得る。あるいは、シリコン基板は、超純水中で
基板を沸騰し、そして約１７５℃で基板を乾燥することによってドロップキャス
ティングし、基板表面の親水性を増加させるように調製され得る。
【００２９】 透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）は、ナノクリスタル集団のサイズ、形状、および
分布についての情報を提供し得る。粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）パターンは、ナノク
リスタルの結晶構造の型および質に関する最も完全な情報を提供し得る。粒子径
は、ピーク幅に対して、Ｘ線コヒーレンス長を介して、反比例するから、サイズ
の推定も可能である。例えば、ナノクリスタルの直径は、透過型電子顕微鏡によ
って直接測定できるし、または例えば、シェラー（Ｓｃｈｒｒｅｒ）式を用いて
、Ｘ線回析データから推定できる。これはまた、ＵＶ／Ｖｉｓ吸収スペクトルか
ら推定され得る。固体結晶厚さは、ナノクリスタル固体の光学吸収を測定するこ
とおよびビアー法を適用することによって紫外／可視スペクトロメーターを用い
て決定され得る。
【００３０】 ポンプ−プローブ（ｐｕｍｐ−ｐｒｏｂｅ）レーザー実験（例えば、一過性吸
収フェムト秒レーザー実験）を用いて、半導体ナノクリスタルの濃縮固体の光学
ゲインを決定し得る。半導体ナノクリスタルの濃縮固体（例えば、最密固体）は
、約１０ｃｍ−１、２５ｃｍ−１、５０ｃｍ−１、１００ｃｍ−１、または１，
０００ｃｍ−１の光学的放射のゲインを示し得る。半導体ナノクリスタルのフィ
ルム中のゲインの開始は、ソースがナノクリスタルを励起して、半導体ナノクリ
スタル中に電子ホール（ｅ−ｈ）対を生成する場合に、生じる。ゲインは、ある
温度範囲（約６Ｋ〜３１０Ｋの間、またはそれ以上）で、励起ソースが、１半導
体ナノクリスタルあたり、約１．０、１．５または２．０ｅ−ｈ対より多く生成
する場合に、半導体ナノクリスタルの濃縮固体中で観察され得る。ｅ−ｈ対の数
を増大するためにソースパワーの密度を増大させれば、フィルムのゲインを増大
することができる。光学的に記載されるが、励起ソースは電気的であり得る。概
して、励起ソースは、ナノクリスタル固体の反転分布を生成し得る。
【００３１】 濃縮固体におけるゲインは、バンドギャップ光ルミネセンス（すなわち、放出
（ｅｍｉｓｓｉｏｎ））と等しいかまたはそれより低いエネルギーで生じる。例
えば、最大ゲインは、最大バンドギャップ放出またはそれ以下のエネルギーで生
じ得る。バンドギャップ放出のエネルギーは、上記のように、半導体材料および
量子被包（ｑｕａｎｔｕｍ−ｃｏｎｆｉｎｅｄ）ナノクリスタルのサイズに依存
する。最大ゲインと最大放出との間のエネルギー差異は、ナノクリスタルのサイ
ズの減少とともに減少する。
【００３２】 半導体ナノクリスタルの濃縮固体は、同じサイズのナノクリスタルおよび同じ
半導体材料を含み、狭いバンドの放射（ｒａｄｉａｔｉｏｎ）エネルギーにおい
て（例えば、約７５ｎｍ未満のＦＷＨＭを有するエネルギーのバンドにおいて）
ゲインを生じ得る。あるいは、半導体フィルムは、異なる材料、同じ材料だがサ
イズが異なる材料、またはその両方から作成されて、広いバンドの放射エネルギ
ーにおいて、または異なる放射が中心の複数の狭いバンドにおいて、ゲインを生
じ得る。
【００３３】 図１を参照すれば、増幅器１０は、基板２０およびゲイン媒体３０を備える。
ゲイン媒体３０は、密封（ｃｌｏｓｅ−ｐａｃｋｅｄ）フィルム中に形成したナ
ノクリスタル３２の濃縮固体を含む。作動中、増幅器１０のユーザーは、ゲイン
媒体３０を通じた入力光学放射ビーム４０を指向し、そして外部光学放射ビーム
５０がゲイン媒体を励起して反転分布を生成するようにさせる。入力光学ビーム
４０のエネルギーが、ゲイン媒体３０がゲインを促進するエネルギーと重複する
という条件では、増幅器１０は光学ビーム４０を増幅して、増幅した出力ビーム
６０を生じる。
【００３４】 図２を参照すれば、レーザー１００は、励起ソース１７０およびキャビティ１
５０内に配置されたゲイン媒体１３０を備える。ゲイン媒体１３０は、密封フィ
ルム中に形成されたナノクリスタル１３２の濃縮固体を含む。キャビティ１５０
は、ゲイン媒体内で光学的放射の伝播のフィードバックを提供するゲイン媒体１
３０の末端１３２、１３４に並べられた、２つの光学的構成要素１５２、１５４
（例えば、鏡）を備える。作動中、励起ソース１７０は、光学放射シグナルをキ
ャビティ１５０中に放射して、ゲイン媒体１３０中で反転分布を生じる。ゲイン
媒体１３０は、次に、等方性に自然に放射線を放射する。光学的構成要素１５２
、１５４は、自然に放射された放射線の特定の等方性成分を反射してゲイン媒体
に戻すことによってキャビティ１５０中に正のフィードバックを提供する。キャ
ビティ１５０によって確認された反射した光学的放射は、この媒体および２つの
鏡の間を通って、レーザー１００が閾値に達するまで（すなわち、誘導放出の割
合は、ゲイン媒体１３０における自然放出を上回る）伝播し、そしてレーザー作
用は、光学ビーム１９０を生成する。当然ながら、レーザー１００は、鏡のうち
１つの透過率を適切に選択することによって光学ビーム１９０を放射し得、そし
てキャビティは、任意の公知のキャビティの形状によって形成され得る。例えば
、キャビティは、２つ以上の光学的構成要素によって形成され得る。
【００３５】 光学的構成要素１５２、１５４の間の間隔は、反転分布が減衰する速度によっ
て決定される。概して、レーザーキャビティの長さであるＬＬＣ（ゲイン媒体に
対するフィードバックを供給する）は、ゲイン媒体のさらに高いエネルギー状態
における集団の減衰の速度によって決定された臨界長を超えてはならない。この
長さが、臨界長よりも長い場合は、反転分布は、ゲイン媒体内の放射の前に消失
するかまたは、キャビティが増幅され得る。半導体ナノクリスタルを含むゲイン
媒体の不活化は、ナノクリスタルのオージェ再結合速度を測定することによって
決定され得る。概して、ＣｄＳｅナノクリスタルのオージェ再結合速度は、約５
ｐｓ〜６００ｐｓにわたる。再結合速度は、約１／Ｒ３でナノクリスタルのサイ
ズの減少とともに増大する。ゲイン媒体不活性化の前に閾値に達するため、キャ
ビティ１５０のキャビティ長は、約２〜３ｍｍ以下である。代表的には、このキ
ャビティは、約１ｍｍ未満のキャビティ長を有するマイクロキャビティである。
短いキャビティ長にかかわらず、半導体ナノクリスタルの濃縮固体を含むゲイン
媒体は、以下の関係： Ｇ・Ｌ＞＞１ 、を満たすために大きなゲインを提供し、これによってレーザー挙動を導く。
【００３６】 図３Ａおよび３Ｂを参照すれば、ゲイン媒体１３０は、パターン化された基板
１９２上に配置されている。λ／（２ｎ）の周期性パターンは、Ｂｒａｇｇ反射
に起因して、中間ゲインバンド内の波長で、選択的フィードバックを提供するよ
うに選択されている。ポンプビームは、基板である垂直ポンプ１９４に垂直にか
、または基板である末端ポンプ１９６に平行にかのいずれかに方向付けられ得る
。レーザー閾値以下のポンプ強度（閾値以下ポンプ）で、このシステムは、再生
式光学増幅器として働く。レーザー閾値を越えるポンプ強度で、このシステムは
、分布帰還型レーザーとして働く。
【００３７】 図４を参照すれば、レーザー２００は、基板２３０上に配置されたゲイン媒体
２２０を備える。ゲイン媒体２２０は、総内部反射に起因して、導波管様式の伝
播を支持する、導波管として働く。すなわち、レーザー２００は、キャビティを
形成しフィードバックを供給するための外部構成要素を必要としない。総内部反
射は、ゲイン媒体２２０中で生じる。なぜなら、濃縮された半導体ナノクリスタ
ル固体は、基板、空気および真空のどれよりも大きい屈折係数を有するからであ
る。作動中に、外部ソース２５０は、ゲイン媒体２２０を励起して、反転分布を
生じる。この媒体の導波管様式における半導体ナノクリスタル伝播からの自然放
出は増幅される。ゲイン媒体が、Ｇ・Ｌ＞＞１であるように、十分な長さである
場合、レーザー作用が生じる。
【００３８】 以下の実施例は、例示の目的に過ぎない。なぜなら、多くの改変および変異が
当業者に明白であるからである。
【００３９】 （実施例１） 光学的ゲイン（光の増幅）を、図５に例示しているが、これは、Ｋｌｉｍｏｖ
ら、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，第２３巻、ｐ２２７（１９９８）に記載された、フェ
ムト秒ポンプ−プローブ実験を用いて検出した。ＴＯＰ／ＴＯＰＯ表面基を有す
るＣｄＳｅ半導体ナノクリスタルのゲイン媒体を、ガラス基板上の濃縮固体（す
なわち、密封半導体インキュベートナノクリスタルのフィルム）中で形成した。
半導体ナノクリスタルは、約４．２ｎｍの直径を有し、そしてフィルムの厚みは
、約０．２ミクロン〜約１０ミクロンの間であった。ゲイン媒体を、液体窒素温
度まで冷却した（Ｔ＝７７Ｋ）。反転分布を作成するため、増幅したＴｉ−Ｓａ
ｐｐｈｉｒｅレーザー由来の１００−フェムト秒周波数−二重「ポンプ」パルス
によって、３ｅＶでゲイン媒体を励起した。光励起したスポットにおける吸収／
ゲインを、サファイヤプレート中で生成されたフェムト秒「白色光」連続体の可
変的に遅延した広範なバンドの「プローブ」パルスを用いてプローブした。図６
Ａを参照すれば、サンプル吸収スペクトルαｄ（ここでαは、吸収係数であり、
そしてｄは、吸収層の厚みである）を、波長の関数として記録した。励起パルス
で記録したスペクトルは、破線および破点線で示し、そして励起パルスなしに記
録したスペクトルは、実線で示す。約６１５ｎｍのエネルギーでの吸収脱色の励
起波形依存性を、図６Ｂに示す。励起パルスの密度は、平均して１量子ドットあ
たりの光励起電子ホール（ｅ−ｈ）の数（Ｎｅｈ）で示される。光学ゲイン（負
の吸収）を、１ナノクリスタルあたり、約１．６ｅ−ｈ対の励起パルス密度で観
察した。検出された最大ゲインは、約１０００ｃｍ−１であった（Ｎｅｈ＝２．
７）。本実験で用いたナノクリスタルサイズについて、光学増幅を約６００ｎｍ
〜約６５０ｎｍのスペクトル範囲内で観察した。光学ゲインはまた、Ｎｅｈ＞２
の密度で室温で検出された。
【００４０】 図７は、１．３ｎｍ、１．７ｎｍ、および２．１ｎｍの半径Ｒを有するＣｄＳ
ｅナノクリスタルから製造した３つの濃縮固体についての室温で記録した光学吸
収／ゲインスペクトルのプロットである。
【００４１】 （実施例２） 増幅した自然放出を、導波管レジメにおいて、図４に関して記載されるように
、一回通過構成中で検出した。半導体ナノクリスタルの濃縮固体、すなわち、密
封されたナノクリスタルのフィルム（厚み４６０ｎｍ）をガラススライド上に配
置した。半導体ナノクリスタルは、ＣｄＳｅであり、直径４．２ｎｍであり、そ
して酸化トリオクチルホスフィンおよびセレン化トリオクチルホスフィンで表面
安定化処理されていた。このフィルムは導波管として働く。このフィルムの屈折
率（約１．８）は、ガラススライド（約１．４）および真空／空気（約１）の両
方の屈折率よりも大きかったので、このフィルムは、導波管様式を支持し、これ
が総内部屈折の低損失レジメにおいて伝播した。このポンプスポットは、直径約
１ミリメートルであった。ゲイン媒体を、液体窒素温度まで冷却した（Ｔ＝７７
Ｋ）。このフィルムの放出スペクトルを、漸増して高くなる励起パルス強度で記
録し、図８に示す。平均して１ドットあたり約２ｅ−ｈ対のポンプレベルで６１
５ｎｍで鋭いレーザー様式の発達を観察した。このピークの励起パルス強度依存
性（図８にはめ込んでいる）は、レーザーレジメに対する移行に典型的な閾値型
挙動を示す。
【００４２】 図９は、バルクＣｄＳｅの誘導放出（Ａ）および自然放出（Ｂ）のスペクトル
と比較した、異なるサイズのＣｄＳｅナノクリスタルの固体の誘導放出のサイズ
制御スペクトルのプロットである。このスペクトルは、Ｔ＝８０Ｋ（Ａ）および
３００Ｋ（Ｂ）でとった。バルクＣｄＳｅは、室温では誘導放出を示さないが、
ＣｄＳｅナノクリスタルの濃縮固体は、誘導放出を示す。
【００４３】 多数の実施形態を記載してきた。それにもかかわらず、種々の改変がなされ得
ることが理解される。例えば、半導体ナノクリスタルの濃縮固体は、分散型Ｂｒ
ａｇｇ反射体（ＤＢＲ）によって形成されたキャビティを有するゲイン媒体とし
て用いられ得る。従って、他の実施形態も、添付の特許請求の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、増幅器の概略図である。
【図２】 図２は、レーザーの概略図である。
【図３】 図３Ａおよび３Ｂは、分布型フィードバック増幅器（３Ａ）およびレーザー（
３Ｂ）の概略図である。
【図４】 図４は、導波方式におけるナノクリスタル固体において発生する増幅された自
発的発光の観察のための実験の概略図である。
【図５】 図５は、ゲインを測定するためのポンプ−プローブレーザー実験の概略図であ
る。
【図６】 図６Ａは、図５のポンプ−プローブレーザー実験により記録された、ＣｄＳｅ
量子ドット固体（ドット直径４．２ｎｍ）の吸収／ゲインスペクトルを示すプロ
ットである。 図６Ｂは、半導体ナノクリスタル１つあたりの、正規化された吸収脱色（−Δ
α／α０） 対 励起された正孔対の数（Ｎｅｈ）のプロットである。
【図７】 図７は、室温において記録された光吸収／ゲインスペクトルのプロットである
。
【図８】 図８は、光ルミネセンス強度 対 誘導放射の発生を示す波長のプロットであ
る。
【図９】 図９は、バルクＣｄＳｅの、誘導放射（Ａ；Ｔ＝８０Ｋ）および自発的発光（
Ｂ；Ｔ＝３００Ｋ）のスペクトルの比較における、異なるサイズのＣｄＳｅナノ
クリスタルの固体の誘導放射のサイズ制御スペクトルのプロットである。 様々な図面における同じ参照記号は、同じ要素を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 ザ リージェンツ オブ ジ ユニヴァー シティ オブ カリフォルニア Ｔｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆ ｏｒｎｉａ アメリカ合衆国 87545 ニューメキシコ ロス アラモス ピーオーボックス 1663 ロス アラモス ナショナル ラボ ラトリー メイル ストップ ディー412 エルシー／ビーピーエル ＬＣ／ＢＰＬ， Ｍａｉｌ Ｓｔｏｐ Ｄ −412， Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ Ｎａｔ ｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｐ． Ｏ．Ｂｏｘ 1663， Ｌｏｓ Ａｌａｍｏ ｓ， Ｎｅｗ Ｍｅｘｉｃｏ 87545 Ｕ ＳＡ (72)発明者 クリモフ， ヴィクトル アイ． アメリカ合衆国 ニューメキシコ 87544， ロス アラモス， エス． トッド ル ープ 569 (72)発明者 ミクハイロフスキ， アレクサンドル アメリカ合衆国 ニューメキシコ 87544， ロス アラモス， シー 24ティーエイ チ ストリート 1925 (72)発明者 ホリングスワース， ジェニファー エ イ． アメリカ合衆国 ニューメキシコ 87544， ロス アラモス， 22エヌディー スト リート 2005−ディー (72)発明者 バウェンディ， マウンギ ジー． アメリカ合衆国 マサチューセッツ 02116， ボストン， コモンウェルス アベニュー 263 ナンバー５ (72)発明者 レザーデイル， キャサリン エイ． アメリカ合衆国 マサチューセッツ 02143， サマービル， ローズランド ストリート 57， アパートメント ２ Ｆターム(参考） 5F072 AB13 AK10 FF03 PP01 PP07 PP10 YY17

Claims (32)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ゲイン媒体であって、以下： 複数の半導体ナノクリスタルを含む濃縮された固体、 を含み、ここで、該濃縮された固体が実質的に欠陥を含まない、ゲイン媒体。
  2. 【請求項２】 ゲイン媒体であって、以下： 複数の半導体ナノクリスタルを含む濃縮された固体、 を含み、ここで、該濃縮された固体が、約２５（ｃｍ−１）より大きい光学シグ
    ナルに対するゲインを提供し得、そして最大ゲインが、該ナノクリスタルの最大
    バンドギャップ放出以下のエネルギーで生じる、ゲイン媒体。
  3. 【請求項３】 ゲイン媒体であって、以下： 複数の半導体ナノクリスタルを含む濃縮された固体、 を含み、ここで、該濃縮された固体が、該濃縮された固体が実質的に吸収を有さ
    ないエネルギーでゲインを提供し得る、ゲイン媒体。
  4. 【請求項４】 ゲイン媒体であって、以下： 複数の半導体ナノクリスタルを含む濃縮された固体、 を含み、ここで、該濃縮された固体が、実質的に欠陥を含まず、該ナノクリスタ
    ルの最大バンドギャップ放出以下のエネルギーで光学シグナルに対するゲインを
    提供し、そして該濃縮された固体が実質的に吸収を有さないエネルギーでゲイン
    を提供し得る、ゲイン媒体。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載されるゲイン媒体であっ
    て、前記固体が、０．２体積％より多い半導体ナノクリスタルを含む、ゲイン媒
    体。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載のゲイン媒体であって、前記固体が、１０体
    積％より多い半導体ナノクリスタルを含む、ゲイン媒体。
  7. 【請求項７】 請求項１〜４のいずれか１項に記載されるゲイン媒体であっ
    て、前記複数の半導体ナノクリスタルのそれぞれが、ＩＩ族−ＶＩ族化合物、Ｉ
    Ｉ族−Ｖ族化合物、ＩＩＩ族−ＶＩ族化合物、ＩＩＩ族−Ｖ族化合物、ＩＶ族−
    ＶＩ族化合物、Ｉ族−ＩＩＩ族−ＶＩ族化合物、ＩＩ族−ＩＶ族−ＶＩ族化合物
    、およびＩＩ族−ＩＶ族−Ｖ族化合物からなる群より選択される、同じかまたは
    異なる第１半導体材料を含む、ゲイン媒体。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載のゲイン媒体であって、それぞれの第１半導
    体材料が、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ
    、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ
    、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＳｅ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、Ｔｌ
    Ｎ、ＴｌＰ、ＴｌＡｓ、ＴｌＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、およびこれら
    の混合物からなる群より選択される、ゲイン媒体。
  9. 【請求項９】 請求項７に記載のゲイン媒体であって、それぞれの第１半導
    体材料が、第２半導体材料でコーティングされる、ゲイン媒体。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載のゲイン媒体であって、前記第２半導体材
    料が、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、Ｃｄ
    Ｔｅ、ＭｇＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＨｇＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、Ｈｇ
    Ｔｅ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、Ｇａ
    Ｓｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩＮＡｓ、ＩｎＳｂ、ＴｌＮ、ＴｌＰ、ＴｌＡｓ、Ｔｌ
    Ｓｂ、ＴｌＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、またはこれらの混合物である、
    ゲイン媒体。
  11. 【請求項１１】 請求項９に記載のゲイン媒体であって、それぞれの第１半
    導体材料が、第１バンドギャップを有し、そしてそれぞれの第２半導体材料が該
    第１バンドギャップより大きい第２バンドギャップを有する、ゲイン媒体。
  12. 【請求項１２】 請求項１〜４のいずれか１項に記載のゲイン媒体であって
    、それぞれのナノクリスタルが、約１０ナノメートル未満の直径を有する、ゲイ
    ン媒体。
  13. 【請求項１３】 請求項１〜４のいずれか１項に記載のゲイン媒体であって
    、前記複数のナノクリスタルが単分散分布のサイズを有する、ゲイン媒体。
  14. 【請求項１４】 請求項１〜４のいずれか１項に記載のゲイン媒体であって
    、前記複数のナノクリスタルが、複数の単分散分布のサイズを含む、ゲイン媒体
    。
  15. 【請求項１５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載のゲイン媒体であって
    、前記ナノクリスタルの濃縮された固体が、基板上に配置される、ゲイン媒体。
  16. 【請求項１６】 請求項１５に記載のゲイン媒体であって、前記基板が、ガ
    ラスであり、そして前記ナノクリスタルの濃縮された固体が、約０．２ミクロン
    より大きい厚みを有する、ゲイン媒体。
  17. 【請求項１７】 請求項１〜４のいずれか１項に記載のゲイン媒体であって
    、前記濃縮されて固体が、約５０（ｃｍ−１）より大きい光学シグナルに対する
    ゲインを提供し得る、ゲイン媒体。
  18. 【請求項１８】 レーザーであって、以下： 光学ゲイン媒体であって、複数の半導体ナノクリスタルを含む濃縮された固体
    を含む、光学ゲイン媒体；および フィードバックを提供するために該光学ゲイン媒体に関して配置されたキャビ
    ティー、 を備える、レーザー。
  19. 【請求項１９】 レーザーであって、以下： 光学ゲイン媒体であって、複数の半導体ナノクリスタルを含む濃縮された固体
    を含む、光学ゲイン媒体；および フィードバックを提供するために該光学ゲイン媒体に関して配置されたマイク
    ロキャビティー、 を備える、レーザー。
  20. 【請求項２０】 レーザーであって、以下： 光学ゲイン媒体であって、複数の半導体ナノクリスタルを含む濃縮された固体
    を含む、光学ゲイン媒体；および フィードバックを提供するために該光学ゲイン媒体に関して配置されたキャビ
    ティー、 を備え、ここで、該濃縮された固体が、該ナノクリスタルの最大バンドギャップ
    放出以下のエネルギーで、光学シグナルに対するゲインを提供する、レーザー。
  21. 【請求項２１】 請求項１８〜２０のいずれか１項に記載のレーザーであっ
    て、前記濃縮された固体が、実質的に欠陥を含まない、レーザー。
  22. 【請求項２２】 請求項１８〜２０のいずれか１項に記載のレーザーであっ
    て、さらに、励起ソースを備える、レーザー。
  23. 【請求項２３】 請求項２２に記載のレーザーであって、前記励起ソースが
    、光学ソースである、レーザー。
  24. 【請求項２４】 請求項２３に記載のレーザーであって、前記複数の半導体
    ナノクリスタルのそれぞれが、ＩＩ族−ＶＩ族化合物、ＩＩ族−Ｖ族化合物、Ｉ
    ＩＩ族−ＶＩ族化合物、ＩＩＩ族−Ｖ族化合物、ＩＶ族−ＶＩ族化合物、Ｉ族−
    ＩＩＩ族−ＶＩ族化合物、ＩＩ族−ＩＶ族−ＶＩ族化合物、およびＩＩ族−ＩＶ
    族−Ｖ族化合物からなる群より選択される、同じかまたは異なる第１半導体材料
    を含む、レーザー。
  25. 【請求項２５】 請求項２４に記載のレーザーであって、それぞれの第１半
    導体材料が、第２半導体材料でコーティングされる、レーザー。
  26. 【請求項２６】 請求項２５に記載のレーザーであって、それぞれの第１半
    導体材料が、第１バンドギャップを有し、そしてそれぞれの第２半導体材料が該
    第１バンドギャップより大きい第２バンドギャップを有する、レーザー。
  27. 【請求項２７】 請求項１８〜２０のいずれか１項に記載のレーザーであっ
    て、前記複数のナノクリスタルが、単分散分布のサイズを有する、レーザー。
  28. 【請求項２８】 光学シグナルを増幅する方法であって、以下： 光学ビームを、複数の半導体ナノクリスタルを含む濃縮された固体を含むゲイ
    ン媒体に方向付ける工程、 を包含し、該濃縮固体が、実質的に欠陥を含まず、そして該ナノクリスタルの最
    大バンドギャップ放出以下のエネルギーで該光学シグナルに対するゲインを提供
    する、方法。
  29. 【請求項２９】 レーザーを形成する方法であって、以下： 光学ゲイン媒体にフィードバックを提供するために、該ゲイン媒体に関してキ
    ャビティーを配置する工程、 を包含し、該光学ゲイン媒体が、複数の半導体ナノクリスタルを含む濃縮された
    固体を含む、方法。
  30. 【請求項３０】 請求項２８または２９に記載の方法であって、前記複数の
    半導体ナノクリスタルのそれぞれが、ＩＩ族−ＶＩ族化合物、ＩＩ族−Ｖ族化合
    物、ＩＩＩ族−ＶＩ族化合物、ＩＩＩ族−Ｖ族化合物、ＩＶ族−ＶＩ族化合物、
    Ｉ族−ＩＩＩ族−ＶＩ族化合物、ＩＩ族−ＩＶ族−ＶＩ族化合物、およびＩＩ族
    −ＩＶ族−Ｖ族化合物からなる群より選択される、同じかまたは異なる第１半導
    体材料を含む、方法。
  31. 【請求項３１】 請求項３０に記載の方法であって、それぞれの第１半導体
    材料が、第２半導体材料でコーティングされる、方法。
  32. 【請求項３２】 請求項３０に記載の方法であって、それぞれの第１半導体
    材料が、第１バンドギャップを有し、そしてそれぞれの第２半導体材料が該第１
    バンドギャップより大きい第２バンドギャップを有する、方法。
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