量子点光致发光的峰型调控

被称为“人工原子”的半导体量子点,由于具有如同原子一样离散、细锐的光致发光谱,目前已经成为纳光子学、量子信息科学等学科的研究重点。基于半导体量子点的各种先进新型微纳器件(比如全光量子芯片、单光子源、太阳能电池等)不仅扩展了人们对于量子科学的认识、推动科技的发展,同时也将方便和改变了人们的生活。为了能够完全发挥半导体量子点在器件开发上的巨大潜力,真正做到根据实际需求,设计和制备人工量子器件,一直以来,人们都试图从荧光强度、辐射方向性、偏振性、以及发光峰型这四个关键光学参量入手,获得人工调控半导体量子点发光方法。实际上,通过一些传统的方法,比如利用昂贵的电子束直写、聚焦离子束刻蚀等方法,人们能够得到诸如光子晶体谐振腔、金属纳米天线等微纳结构;利用这些功能结构,人们在量子点的发光增强、发光偏振以及辐射方向操控方面都获得了巨大的成就。

然而,昂贵复杂的制备过程、较小的适用面积(通常在平方微米或者更小的量级)依然限制了传统方法制备的微纳结构走向大规模的器件化生产;另一方面,人们对于量子点发光峰型的调控研究也并不充分。针对这两个问题,中山大学物理科学与工程技术学院的王雪华教授、陈焕君副教授、香港理工大学的雷党愿教授以及他们的研究团队设计制备了一种高效可靠的量子点发光峰型调控模板——氧化铝模板

氧化铝模板在调控量子点光致发光峰型的应用上,有以下三个优势:1)氧化铝模板通过高纯Al的电化学二次氧化形成,制备方法简易、成本低廉、可重复性高、反应条件绿色环保、材料适用面积大(平方厘米量级),能够充分满足器件化大规模生产的要求;2)利用氧化铝固有的Fabry–Pérot谐振模式调控量子点辐射特性,调控效果明显——能够均匀高效地将量子点光谱呈现洛伦兹线性调制成为高品质因子离散峰型,这种峰型调控技术在制备多色光电二极管、荧光成像、生化标记等领域都能够发挥重要作用;3)在氧化铝模板中还能够通过电化学沉积的方法生长各种金属纳米阵列,利用金属等离激元的共振增强效果,量子点光致发光强度能够得到进一步的增强,从而使得装载了金属阵列氧化铝模板成为具备调制量子点发光峰型以及增强发光强度的多功能模板。

该工作不仅拓展了氧化铝模板应用空间,同时也为量子点光致发光调控辟出一条新的思路,有望促进多种新型微纳光电子功能器件的开发。相关工作得到了国家重大科学研究计划,国家自然科学基金,以及中山大学光电材料与技术国家重点实验室的资助。