等离激元耦合调控量子点的荧光特性

Small量子点是一种准零维结构的半导体材料,在半导体照明、半导体激光、太阳电池和量子通信等领域具有重要的应用。化学方法制备的单分散性胶体荧光量子点具有尺寸(~5nm)均匀、量子产率高、发光光谱调谐范围宽、色纯度好、制备成本低和生产产率高等特点。然而,胶体量子点的小尺寸特性带来的高比表面积会导致量子点表面态对自身的发光特性产生重要影响,表面态往往被认为是量子点中激子非辐射复合的重要路径,但是也有一小部分表面态激子会以辐射复合的方式产生荧光发射。因此如何抑制表面态非辐射复合,提高量子点发光效率倍受关注;另一方面,如果能对表面态的发光进行调控,便可以通过调节带边发光和表面态发光的相对强度来实现量子点发光颜色的调节,这对量子点而言,提供了量子尺寸效应以外的另一种发光调控方式。

半导体-金属纳米结构耦合体系中,半导体受光激发产生激子,金属纳米结构受激发产生局域化的等离激元,这种耦合体系的激子-等离激元相互作用可导致出现两种材料各自不具备的新特性,例如共振吸收和改变半导体的辐射复合几率等。如果构建量子点-金属纳米结构的耦合体系,使得量子点表面态与等离激元实现共振耦合,表面态的辐射复合几率得以提高,便改变了量子点的荧光特性。基于这一设想,浙江大学物理系吴惠桢教授课题组构筑了II-VI族半导体胶体量子点-金属银耦合结构,利用银纳米结构局域等离激元与量子点表面态的共振耦合,实现了量子点表面态发光的极大增强。量子点表面态-银纳米结构的耦合特性既能在合成阶段也能在后合成阶段通过对表面态的修饰进行调谐。在合成阶段,作者通过对量子点表面逐步增加无机钝化壳层的方法,能有效地调节II-VI 族胶体量子点的表面态密度,从而达到调控表面态-银纳米结构的耦合作用及其表面态发光特性;在后合成阶段,作者通过紫外光激活机制在量子点表面形成部分氧化层实现量子点表面态密度的有效调节,进而达到调控表面态-银纳米结构耦合作用的目的。上述表面态密度的有效调控及其与银等离激元的耦合,使得精确调谐量子点的发光颜色成为可能。作者利用量子点表面态-银等离激元耦合体系具有宽光谱发光峰的特点,构造了量子点表面态为光学增益的微腔结构,在该微腔结构中金属银既是等离激元载体又作为光学腔镜。作者还利用量子点表面态-银等离激元耦合体系演示了由单一尺寸量子点实现的白光发光。

该工作提出的量子点表面态与金属等离激元耦合调控方法具有普适性,可推广到其他量子点与金属的耦合体系,有望促进量子点在新型光源和生物应用等领域的发展。