[科普中國]-量子鏈

在一定的生長條件下, 多層量子點結(jié)構(gòu)中的量子點在橫向方向也可以有序排列, 從而形成鏈狀量子點結(jié)構(gòu), 這里我們稱之為量子鏈。 由于同一鏈上的量子點之間間隔可以很小, 從而導致載流子之間的橫向耦合, 表現(xiàn)出獨特的光學特性.本文主要研究載流子沿量子鏈方向輸運對光學特性的影響。1

簡介近年來,隨著納米技術(shù)的發(fā)展,人們已經(jīng)能夠研究量子點的電子輸運性質(zhì).由于量子點有許多獨特的物理性質(zhì),并且是未來介觀或量子小體系器件的重要組成部分,也是研究微電子器件的首要元件,所以它已經(jīng)成為人們目前研究的熱點.由于量子點揭示了許多類原子的性質(zhì),如分立的能級和剩余電子填充的殼層結(jié)構(gòu)等,所以通常被稱為人造原子,與真正原子相比,量子點中填充的電子數(shù)是可調(diào)的,且量子點外部形狀可變,由此,對量子點的研究可以更加直觀方便地探測到原子的某些未知的特性.如果稱單量子點為人造原子的話,則量子點的排列可以類似地稱作人造分子或人造晶格,它們與完好量子線耦合,可以對完好量子線的傳輸性質(zhì)起到不同程度的調(diào)制作用。3

GaAs量子點結(jié)構(gòu)是一種已經(jīng)得到廣泛研究和應用的新型納米結(jié)構(gòu), 雖然人們可以通過控制生長條件, 控制量子點的密度, 大小, 改善均勻性, 但一般來說, 量子點在二維浸潤層上是隨機分布的.在多層量子點結(jié)構(gòu)中, 由于應力場的作用, 量子點可以在垂直方向有序排列, 此時, GaAs層的厚度一般比較薄, 有利于應力場的傳遞.1

基于量子線、量子點的光電器件由于在激光器、探測器以及光子晶體上的巨大應用潛力, 因此該方面的研究引起了人們極大的興趣.對于量子點器件來說, 量子點密度、大小以及均勻性對器件性能至關(guān)重要, 因此這方面的研究也受到人們的廣泛關(guān)注。在量子鏈結(jié)構(gòu)中, 由于同一鏈上的量子點之間間隔很小, 從而導致載流子之間的橫向耦合, 表現(xiàn)出獨特的光學特性。4

與量子點對比量子鏈主要特性能帶填充效應比較了10K下不同激發(fā)功率下量子鏈樣品 (a) 和量子點樣品 (b) 的穩(wěn)態(tài)光熒光光譜形狀的變化, 用532nm激光激發(fā).可以看到, 隨著激發(fā)功率P的增加, 量子鏈樣品光譜明顯展寬 (半寬從0.1mW時的41meV變?yōu)?0mW時的73meV) , 高能端發(fā)光相對增強, 當激發(fā)功率大于10mW時, 出現(xiàn)高能發(fā)光峰, 說明量子鏈樣品中有明顯的高能布居和能帶填充效應。4

能帶填充效應源于量子鏈中量子點尺寸的不均勻.低激發(fā)時, 光致載流子主要布居在大量子點所對應的較低能級, 隨著激發(fā)強度增加, 低能級開始飽和, 小量子點所對應的高能級開始填充, 高能端發(fā)光增強, 光譜展寬.而量子點樣品, 尺寸相對比較均勻, 光譜峰值位置基本不隨激發(fā)功率變化, 光譜展寬相對較小 。4

熒光偏振特性比較了兩個樣品的熒光偏振特性, 圖2 (a) 和圖2 (b) 分別給出了兩個樣品偏振熒光光譜, 用532nm激光激發(fā).實驗中, 我們在單色儀前放了線偏振片和一個λ/2波片, 通過旋轉(zhuǎn)波片, 使進入單色儀的熒光偏振方向不變, 從而消除了光柵對熒光兩個偏振分量的影響.熒光偏振度η用下式來定義:4

η= (I[011]-I[011]) / (I[011]+I[011])4

可以算出量子鏈樣品熒光偏振度為25%, 而普通量子點樣品的熒光沒有明顯的偏振特性。4

量子鏈樣品之所以有明顯的偏振特性, 是因為同一鏈上的量子點之間有很強的耦合, 而鏈與鏈之間間距又很大, 結(jié)構(gòu)上與量子線類似, 因而有明顯的光學各向異性.對于量子點樣品, 量子點在二維平面上隨機分布, 量子點之間間距較大, 耦合作用較弱, 因而不會表現(xiàn)出明顯的光學各向異性.但由于量子點本身的形狀一般呈橢圓形。4

熒光衰退特性比較了量子鏈和量子點樣品不同能量位置的熒光衰退特性, 我們可以看到量子鏈樣品的熒光壽命隨能量變化很大, 而量子點樣品的壽命隨能量變化相對較小.對于量子鏈樣品, 熒光衰退壽命隨發(fā)光能量的變化清楚地表明參與發(fā)光的載流子在量子點之間相互有輸運.一般來說, 位于高能端的載流子在參與復合發(fā)光的同時, 還會迅速弛豫到能量較低的能級, 其結(jié)果是導致整個熒光衰退過程變快.而在低能級位置, 由于不斷有載流子供給, 熒光衰退就變慢。4

熒光壽命

量子鏈的熒光壽命隨激發(fā)功率迅速增加, 然后飽和, 而量子點樣品的熒光壽命隨激發(fā)功率緩慢增加. 當激發(fā)功率較小時, 光生載流子主要布居在大量子點所對應的較低能級, 隨激發(fā)強度增加, 低能級飽和, 小量子點所對應的高能級開始被填充, 高能端發(fā)光增強, 光譜展寬,。這種由高能級向低能級的載流子轉(zhuǎn)移過程趨于飽和, 從而導致發(fā)光壽命基本不變。對于量子點樣品, 由于量子點之間耦合相對較小, 所以載流子轉(zhuǎn)移-有效供給加大-熒光壽命增加這一過程不像量子鏈樣品那樣明顯, 實驗上表現(xiàn)為熒光壽命隨激發(fā)強度的增加而緩慢增加。4

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

尚軼倫 - 副教授 - 同濟大學數(shù)學科學學院