Abstract

We report room-temperature amplified spontaneous emission and spectral narrowing at infrared wavelengths in solution-processed films made up of PbS quantum-dot nanocrystals. The results are relevant to optical amplification and lasing integrated upon a variety of substrates. The active optical medium operates at room temperature without any additional matrix material, providing an optical gain of 260 cm-1 and a pump threshold of 1 mJ/cm-2. Nanocrystals synthesized in an aqueous solution and stabilized by use of short ligands result in high quantum-dot volume fractions in solid films and in a redshift emission relative to absorption.

© 2005 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. L. Bakueva, S. Musikhin, M. A. Hines, T.-W. F. Chang, M. Tzolov, G. D. Scholes, and E. H. Sargent, Appl. Phys. Lett. 82, 2895 (2003).
    [CrossRef]
  2. R. D. Schaller, M. A. Petruska, and V. I. Klimov, J. Phys. Chem. B 107, 13765 (2003).
  3. K. Wundke, J. Auxier, A. Schülzgen, N. Peyghambarian, and N. F. Borelli, Appl. Phys. Lett. 75, 3060 (1999).
    [CrossRef]
  4. J. S. Steckel, S. Coe-Sullivan, V. Bulovi?, and M. G. Bawendi, Adv. Mater. 15, 1862 (2003).
    [CrossRef]
  5. L. Bakueva, I. Gorelikov, S. Musikhin, X. S. Zhao, E. H. Sargent, and E. Kumacheva, Adv. Mater. 16, 926 (2004).
    [CrossRef]
  6. V. I. Klimov, A. A. Mikhailovsky, S. Xu, A. Malko, J. A. Hollingsworth, C. A. Leatherdale, H.-J. Eisler, and M. G. Bawendi, Science 290, 314 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. K. L. Shaklee, R. E. Nahory, and R. F. Leheny, J. Lumin. 7, 284 (1973).
    [CrossRef]
  8. L. Dal Negro, P. Bettotti, M. Cazzanelli, L. Pavesi, and D. Pacifici, Opt. Commun. 229, 337 (2003).
    [CrossRef]

2004 (1)

L. Bakueva, I. Gorelikov, S. Musikhin, X. S. Zhao, E. H. Sargent, and E. Kumacheva, Adv. Mater. 16, 926 (2004).
[CrossRef]

2003 (4)

L. Bakueva, S. Musikhin, M. A. Hines, T.-W. F. Chang, M. Tzolov, G. D. Scholes, and E. H. Sargent, Appl. Phys. Lett. 82, 2895 (2003).
[CrossRef]

R. D. Schaller, M. A. Petruska, and V. I. Klimov, J. Phys. Chem. B 107, 13765 (2003).

J. S. Steckel, S. Coe-Sullivan, V. Bulovi?, and M. G. Bawendi, Adv. Mater. 15, 1862 (2003).
[CrossRef]

L. Dal Negro, P. Bettotti, M. Cazzanelli, L. Pavesi, and D. Pacifici, Opt. Commun. 229, 337 (2003).
[CrossRef]

2000 (1)

V. I. Klimov, A. A. Mikhailovsky, S. Xu, A. Malko, J. A. Hollingsworth, C. A. Leatherdale, H.-J. Eisler, and M. G. Bawendi, Science 290, 314 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

1999 (1)

K. Wundke, J. Auxier, A. Schülzgen, N. Peyghambarian, and N. F. Borelli, Appl. Phys. Lett. 75, 3060 (1999).
[CrossRef]

1973 (1)

K. L. Shaklee, R. E. Nahory, and R. F. Leheny, J. Lumin. 7, 284 (1973).
[CrossRef]

Auxier, J.

K. Wundke, J. Auxier, A. Schülzgen, N. Peyghambarian, and N. F. Borelli, Appl. Phys. Lett. 75, 3060 (1999).
[CrossRef]

Bakueva, L.

L. Bakueva, I. Gorelikov, S. Musikhin, X. S. Zhao, E. H. Sargent, and E. Kumacheva, Adv. Mater. 16, 926 (2004).
[CrossRef]

L. Bakueva, S. Musikhin, M. A. Hines, T.-W. F. Chang, M. Tzolov, G. D. Scholes, and E. H. Sargent, Appl. Phys. Lett. 82, 2895 (2003).
[CrossRef]

Bawendi, M. G.

J. S. Steckel, S. Coe-Sullivan, V. Bulovi?, and M. G. Bawendi, Adv. Mater. 15, 1862 (2003).
[CrossRef]

V. I. Klimov, A. A. Mikhailovsky, S. Xu, A. Malko, J. A. Hollingsworth, C. A. Leatherdale, H.-J. Eisler, and M. G. Bawendi, Science 290, 314 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Bettotti, P.

L. Dal Negro, P. Bettotti, M. Cazzanelli, L. Pavesi, and D. Pacifici, Opt. Commun. 229, 337 (2003).
[CrossRef]

Borelli, N. F.

K. Wundke, J. Auxier, A. Schülzgen, N. Peyghambarian, and N. F. Borelli, Appl. Phys. Lett. 75, 3060 (1999).
[CrossRef]

Bulovic, V.

J. S. Steckel, S. Coe-Sullivan, V. Bulovi?, and M. G. Bawendi, Adv. Mater. 15, 1862 (2003).
[CrossRef]

Cazzanelli, M.

L. Dal Negro, P. Bettotti, M. Cazzanelli, L. Pavesi, and D. Pacifici, Opt. Commun. 229, 337 (2003).
[CrossRef]

Chang, T.-W. F.

L. Bakueva, S. Musikhin, M. A. Hines, T.-W. F. Chang, M. Tzolov, G. D. Scholes, and E. H. Sargent, Appl. Phys. Lett. 82, 2895 (2003).
[CrossRef]

Coe-Sullivan, S.

J. S. Steckel, S. Coe-Sullivan, V. Bulovi?, and M. G. Bawendi, Adv. Mater. 15, 1862 (2003).
[CrossRef]

Dal Negro, L.

L. Dal Negro, P. Bettotti, M. Cazzanelli, L. Pavesi, and D. Pacifici, Opt. Commun. 229, 337 (2003).
[CrossRef]

Eisler, H.-J.

V. I. Klimov, A. A. Mikhailovsky, S. Xu, A. Malko, J. A. Hollingsworth, C. A. Leatherdale, H.-J. Eisler, and M. G. Bawendi, Science 290, 314 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Gorelikov, I.

L. Bakueva, I. Gorelikov, S. Musikhin, X. S. Zhao, E. H. Sargent, and E. Kumacheva, Adv. Mater. 16, 926 (2004).
[CrossRef]

Hines, M. A.

L. Bakueva, S. Musikhin, M. A. Hines, T.-W. F. Chang, M. Tzolov, G. D. Scholes, and E. H. Sargent, Appl. Phys. Lett. 82, 2895 (2003).
[CrossRef]

Hollingsworth, J. A.

V. I. Klimov, A. A. Mikhailovsky, S. Xu, A. Malko, J. A. Hollingsworth, C. A. Leatherdale, H.-J. Eisler, and M. G. Bawendi, Science 290, 314 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Klimov, V. I.

R. D. Schaller, M. A. Petruska, and V. I. Klimov, J. Phys. Chem. B 107, 13765 (2003).

V. I. Klimov, A. A. Mikhailovsky, S. Xu, A. Malko, J. A. Hollingsworth, C. A. Leatherdale, H.-J. Eisler, and M. G. Bawendi, Science 290, 314 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Kumacheva, E.

L. Bakueva, I. Gorelikov, S. Musikhin, X. S. Zhao, E. H. Sargent, and E. Kumacheva, Adv. Mater. 16, 926 (2004).
[CrossRef]

Leatherdale, C. A.

V. I. Klimov, A. A. Mikhailovsky, S. Xu, A. Malko, J. A. Hollingsworth, C. A. Leatherdale, H.-J. Eisler, and M. G. Bawendi, Science 290, 314 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Leheny, R. F.

K. L. Shaklee, R. E. Nahory, and R. F. Leheny, J. Lumin. 7, 284 (1973).
[CrossRef]

Malko, A.

V. I. Klimov, A. A. Mikhailovsky, S. Xu, A. Malko, J. A. Hollingsworth, C. A. Leatherdale, H.-J. Eisler, and M. G. Bawendi, Science 290, 314 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Mikhailovsky, A. A.

V. I. Klimov, A. A. Mikhailovsky, S. Xu, A. Malko, J. A. Hollingsworth, C. A. Leatherdale, H.-J. Eisler, and M. G. Bawendi, Science 290, 314 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Musikhin, S.

L. Bakueva, I. Gorelikov, S. Musikhin, X. S. Zhao, E. H. Sargent, and E. Kumacheva, Adv. Mater. 16, 926 (2004).
[CrossRef]

L. Bakueva, S. Musikhin, M. A. Hines, T.-W. F. Chang, M. Tzolov, G. D. Scholes, and E. H. Sargent, Appl. Phys. Lett. 82, 2895 (2003).
[CrossRef]

Nahory, R. E.

K. L. Shaklee, R. E. Nahory, and R. F. Leheny, J. Lumin. 7, 284 (1973).
[CrossRef]

Pacifici, D.

L. Dal Negro, P. Bettotti, M. Cazzanelli, L. Pavesi, and D. Pacifici, Opt. Commun. 229, 337 (2003).
[CrossRef]

Pavesi, L.

L. Dal Negro, P. Bettotti, M. Cazzanelli, L. Pavesi, and D. Pacifici, Opt. Commun. 229, 337 (2003).
[CrossRef]

Petruska, M. A.

R. D. Schaller, M. A. Petruska, and V. I. Klimov, J. Phys. Chem. B 107, 13765 (2003).

Peyghambarian, N.

K. Wundke, J. Auxier, A. Schülzgen, N. Peyghambarian, and N. F. Borelli, Appl. Phys. Lett. 75, 3060 (1999).
[CrossRef]

Sargent, E. H.

L. Bakueva, I. Gorelikov, S. Musikhin, X. S. Zhao, E. H. Sargent, and E. Kumacheva, Adv. Mater. 16, 926 (2004).
[CrossRef]

L. Bakueva, S. Musikhin, M. A. Hines, T.-W. F. Chang, M. Tzolov, G. D. Scholes, and E. H. Sargent, Appl. Phys. Lett. 82, 2895 (2003).
[CrossRef]

Schaller, R. D.

R. D. Schaller, M. A. Petruska, and V. I. Klimov, J. Phys. Chem. B 107, 13765 (2003).

Scholes, G. D.

L. Bakueva, S. Musikhin, M. A. Hines, T.-W. F. Chang, M. Tzolov, G. D. Scholes, and E. H. Sargent, Appl. Phys. Lett. 82, 2895 (2003).
[CrossRef]

Schülzgen, A.

K. Wundke, J. Auxier, A. Schülzgen, N. Peyghambarian, and N. F. Borelli, Appl. Phys. Lett. 75, 3060 (1999).
[CrossRef]

Shaklee, K. L.

K. L. Shaklee, R. E. Nahory, and R. F. Leheny, J. Lumin. 7, 284 (1973).
[CrossRef]

Steckel, J. S.

J. S. Steckel, S. Coe-Sullivan, V. Bulovi?, and M. G. Bawendi, Adv. Mater. 15, 1862 (2003).
[CrossRef]

Tzolov, M.

L. Bakueva, S. Musikhin, M. A. Hines, T.-W. F. Chang, M. Tzolov, G. D. Scholes, and E. H. Sargent, Appl. Phys. Lett. 82, 2895 (2003).
[CrossRef]

Wundke, K.

K. Wundke, J. Auxier, A. Schülzgen, N. Peyghambarian, and N. F. Borelli, Appl. Phys. Lett. 75, 3060 (1999).
[CrossRef]

Xu, S.

V. I. Klimov, A. A. Mikhailovsky, S. Xu, A. Malko, J. A. Hollingsworth, C. A. Leatherdale, H.-J. Eisler, and M. G. Bawendi, Science 290, 314 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Zhao, X. S.

L. Bakueva, I. Gorelikov, S. Musikhin, X. S. Zhao, E. H. Sargent, and E. Kumacheva, Adv. Mater. 16, 926 (2004).
[CrossRef]

Adv. Mater. (2)

J. S. Steckel, S. Coe-Sullivan, V. Bulovi?, and M. G. Bawendi, Adv. Mater. 15, 1862 (2003).
[CrossRef]

L. Bakueva, I. Gorelikov, S. Musikhin, X. S. Zhao, E. H. Sargent, and E. Kumacheva, Adv. Mater. 16, 926 (2004).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (2)

L. Bakueva, S. Musikhin, M. A. Hines, T.-W. F. Chang, M. Tzolov, G. D. Scholes, and E. H. Sargent, Appl. Phys. Lett. 82, 2895 (2003).
[CrossRef]

K. Wundke, J. Auxier, A. Schülzgen, N. Peyghambarian, and N. F. Borelli, Appl. Phys. Lett. 75, 3060 (1999).
[CrossRef]

J. Lumin. (1)

K. L. Shaklee, R. E. Nahory, and R. F. Leheny, J. Lumin. 7, 284 (1973).
[CrossRef]

J. Phys. Chem. B (1)

R. D. Schaller, M. A. Petruska, and V. I. Klimov, J. Phys. Chem. B 107, 13765 (2003).

Opt. Commun. (1)

L. Dal Negro, P. Bettotti, M. Cazzanelli, L. Pavesi, and D. Pacifici, Opt. Commun. 229, 337 (2003).
[CrossRef]

Science (1)

V. I. Klimov, A. A. Mikhailovsky, S. Xu, A. Malko, J. A. Hollingsworth, C. A. Leatherdale, H.-J. Eisler, and M. G. Bawendi, Science 290, 314 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (2)

Fig. 1
Fig. 1

(a) X-ray diffraction patterns of PbS NCs, (b) high-resolution TEM image of PbS nanoparticles, (c) PL spectra of PbS in an aqueous solution with various NC diameters from 3 to 5 nm, (d) absorption and PL spectra of a pure PbS NC film.

Fig. 2
Fig. 2

(a) Experimental configuration for the VSL method. (b) Emission intensity as a function of stripe length for low (triangles) and high (circles) pump intensities. (c) Growth of ASE compared with growth of spontaneous PL intensity with a threshold of 1 mJ/cm2. (d) Evolution of the emission spectra as a function of pump intensity normalized at the point of the PL peak position for 150µm excitation length. Inset, Normalized emission spectra for low and high pump intensities (PL and ASE, respectively). The threshold behavior and spectral narrowing of (c) and (d) were obtained for a stripe length of 150 µm, corresponding to the maximum gain length observed in the sample.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

IASE=ISgegl-1,

Metrics