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Nano Res.[探測]│山西大學(xué)肖連團(tuán)教授團(tuán)隊(duì):單量子點(diǎn)光譜與激子動力學(xué)研究進(jìn)展

背景介紹

膠體半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有寬帶吸收、窄帶發(fā)射、高光致發(fā)光量子產(chǎn)率、發(fā)射波長可調(diào)和便于溶液處理等優(yōu)點(diǎn),是制備發(fā)光二極管、太陽能電池、探測器、激光器、量子光源等光電器件的優(yōu)質(zhì)材料。量子點(diǎn)的激子復(fù)合動力學(xué)及其光致發(fā)光性能主要受量子點(diǎn)尺寸、形貌、核殼結(jié)構(gòu)、表面配體和局部環(huán)境等的影響,即使是同一批次合成的量子點(diǎn)也存在一定的差異并影響著量子點(diǎn)的相關(guān)應(yīng)用。量子點(diǎn)激子動力學(xué)的精確測量和表征對于制備尺寸均一的高質(zhì)量量子點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)其預(yù)期應(yīng)用至關(guān)重要。而傳統(tǒng)的時間分辨光致發(fā)光光譜和穩(wěn)態(tài)熒光光譜技術(shù)所測的都是系綜平均的結(jié)果,另外透射電子顯微鏡雖然能夠有效地表征單個量子點(diǎn)的形態(tài),但其無法提供單量子點(diǎn)光學(xué)特性的信息。高精度的單量子點(diǎn)光譜技術(shù)對單個量子點(diǎn)的光致發(fā)光特性的分析可以深入了解量子點(diǎn)的各種成分、粒徑、形貌、核殼結(jié)構(gòu)、表面缺陷、表面配體和局部環(huán)境對其激子動力學(xué)的影響。因此,單量子點(diǎn)光譜所獲得的結(jié)果能夠有效地指導(dǎo)量子點(diǎn)材料的設(shè)計(jì),有助于制備尺寸均一、發(fā)光性能優(yōu)異的高質(zhì)量量子點(diǎn)材料。

成果簡介

近期,山西大學(xué)肖連團(tuán)教授團(tuán)隊(duì)總結(jié)了近年來單量子點(diǎn)光譜揭示的激子動力學(xué)方面的最新進(jìn)展,并討論了在單量子點(diǎn)水平上測量和操縱激子動力學(xué)的幾種新方法,通過結(jié)合近年來該領(lǐng)域的研究進(jìn)展及本課題組的相關(guān)研究,詳細(xì)討論了單量子點(diǎn)光譜在研究量子點(diǎn)激子動力學(xué)的相關(guān)成果及所起到的不可替代的作用,并對該領(lǐng)域未來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇進(jìn)行了展望,希望為該領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展提供一定的參考。

Nano Res.[探測]│山西大學(xué)肖連團(tuán)教授團(tuán)隊(duì):單量子點(diǎn)光譜與激子動力學(xué)研究進(jìn)展

要點(diǎn)一:單激子動力學(xué)與光致發(fā)光閃爍的測量
單量子點(diǎn)在光激發(fā)下,其光致發(fā)光強(qiáng)度會隨時間發(fā)生高低起伏或間歇性的中斷,該現(xiàn)象被稱為量子點(diǎn)的光致發(fā)光閃爍,光致發(fā)光閃爍是單量子點(diǎn)等單粒子所特有的現(xiàn)象。由于量子點(diǎn)的光致發(fā)光主要來源于單激子的輻射復(fù)合,因此,光致發(fā)光閃爍主要源于單激子輻射強(qiáng)度的變化。通過對比單量子點(diǎn)光致發(fā)光強(qiáng)度和壽命隨時間的變化關(guān)系可以有效地揭示量子點(diǎn)的光致發(fā)光閃爍的起源。單量子點(diǎn)的光致發(fā)光閃爍機(jī)制主要分為三種類型:俄歇型閃爍、帶邊載流子型閃爍和熱載流子型閃爍。
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要點(diǎn)二:光致發(fā)光閃爍的操控
目前,操控單量子點(diǎn)光致發(fā)光閃爍的方法可總結(jié)為四類:通過調(diào)節(jié)單量子點(diǎn)的激發(fā)光光場操控其光致發(fā)光閃爍特性,通過調(diào)節(jié)單量子點(diǎn)的費(fèi)米能級操控其光致發(fā)光閃爍特性,通過調(diào)節(jié)單量子點(diǎn)的核殼結(jié)構(gòu)操控其光致發(fā)光閃爍特性,通過調(diào)節(jié)單量子點(diǎn)的充、放電速率操控其光致發(fā)光閃爍特性。
要點(diǎn)三:雙激子及更高階激子動力學(xué)的測量
傳統(tǒng)光譜測量多激子動力學(xué)的方法通常包括多峰擬合系綜量子點(diǎn)的熒光光譜和多指數(shù)函數(shù)擬合量子點(diǎn)的時間分辨光譜,相關(guān)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果誤差較高且受量子點(diǎn)帶電態(tài)的影響較大。單量子點(diǎn)光譜技術(shù)的快速發(fā)展為多激子動力學(xué)的測量另辟蹊徑。通過辨別同一脈沖光激發(fā)下探測器探測到的單個量子點(diǎn)發(fā)射光子的先后順序就可以有效區(qū)分單激子、雙激子和多激子輻射,進(jìn)而有效提取多激子動力學(xué)信息。
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要點(diǎn)四:多激子動力學(xué)的操控量
目前,操控單量子點(diǎn)多激子動力學(xué)的方法主要包括:通過調(diào)節(jié)單量子點(diǎn)的界面環(huán)境操控其多激子動力學(xué),通過調(diào)節(jié)單量子點(diǎn)的核殼結(jié)構(gòu)操控其多激子動力學(xué)等。通過時間門控的方法可以有效消除多激子輻射的影響,這是辨別單量子點(diǎn)的重要武器。
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要點(diǎn)五:展望
單量子點(diǎn)光譜在研究量子點(diǎn)激子動力學(xué)方面具有巨大的應(yīng)用潛力。然而,目前仍存在一些挑戰(zhàn),如單量子點(diǎn)光譜需要逐個對量子點(diǎn)進(jìn)行測量因而研究效率較低,測量單量子點(diǎn)絕對量子產(chǎn)率目前也沒有有效的方法,研究單量子點(diǎn)的材料結(jié)構(gòu)對光學(xué)特性的影響尚缺少有效手段。鑒于量子點(diǎn)優(yōu)異的光電性能,單量子點(diǎn)光譜技術(shù)的進(jìn)一步革新將有助于更優(yōu)異的量子點(diǎn)的制備,另外基于單量子點(diǎn)制備單光子源和糾纏光源仍是該領(lǐng)域的重要研究方向。
作者簡介

張國峰,山西大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,山西省優(yōu)秀青年學(xué)術(shù)帶頭人。山西大學(xué)原子與分子物理專業(yè)畢業(yè),2012年-2014年比利時魯汶大學(xué)博士后。主要從事單量子點(diǎn)光譜、受限量子體系的激子動力學(xué)、納米材料與器件所涉及的光電特性及電子、能量轉(zhuǎn)移動力學(xué)等相關(guān)研究。在Phys. Rev. Lett., Nano lett., Small, J. Phys. Chem. Lett., APL等學(xué)術(shù)期刊共發(fā)表SCI等論文90多篇;授權(quán)發(fā)明專利23項(xiàng);參與撰寫及翻譯論著章節(jié)3篇;主持國家自然科學(xué)基金4項(xiàng),教育部基金1項(xiàng),主持山西省高等學(xué)校創(chuàng)新人才支持計(jì)劃和留學(xué)回國人員科技活動擇優(yōu)資助等項(xiàng)目。參與國家973計(jì)劃、重大科研儀器研制等項(xiàng)目多項(xiàng)。所獲得的獎勵及榮譽(yù)有山西省三晉英才支持計(jì)劃青年優(yōu)秀人才、山西省高等學(xué)校創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、山西省優(yōu)秀研究生博士學(xué)位論文指導(dǎo)教師等。

肖連團(tuán),博士研究生導(dǎo)師,國家百千萬人才工程入選者,教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人?,F(xiàn)任太原理工大學(xué)黨委常委、副校長;山西大學(xué)激光光譜研究所所長、量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (863計(jì)劃)、973計(jì)劃前期研究專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目22項(xiàng)。在國際重要學(xué)術(shù)期刊Nature Phys., Light: Science & Applications, Phys. Rev. Lett., Nano Letters, Appl. Phy. Lett., Phys. Rev. A等和國內(nèi)核心刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文360余篇,獲國家發(fā)明專利60余項(xiàng)以及1項(xiàng)美國授權(quán)發(fā)明專利。獲多項(xiàng)獎勵,包括山西省自然科學(xué)一等獎2項(xiàng)、山西省技術(shù)發(fā)明一等獎1項(xiàng)、山西省科技進(jìn)步二等獎2項(xiàng),2005年被評為山西省青年學(xué)術(shù)帶頭人,2006年人選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃,2009年被評為山西省高等學(xué)校中青年拔尖創(chuàng)新人才,2012年度教育部長江學(xué)者特聘教授。2015年入選國家百千萬人才工程并享受國務(wù)院特殊津貼。2016年獲山西省五一勞動獎?wù)拢?017年獲第九屆山西省優(yōu)秀科技工作者稱號。

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