物理学院 School of Physics, Nanjing University

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《自然-通讯》发表肖敏、王晓勇课题组纳米晶团簇的单光子发射研究成果

2018年04月20日

南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的肖敏教授、王晓勇教授课题组在纳米晶团簇的单光子发射研究方面取得重要进展,相关成果以“Photon Antibunching in a Cluser of Giant CdSe/CdS Nanocrystals”为题,以南京大学为第一单位发表在2018年4月18日的《自然-通讯》上(Nature Communications 2018, 9, 1536;https://www.nature.com/articles/s41467-018-03971-w)。该论文的共同第一作者为南京大学物理学院2013级博士生吕碧沪和博士后张辉朝,第一通讯作者为王晓勇教授,共同通讯作者为肖敏教授和东南大学的张家雨教授。该论文的光学实验工作由物理学院的吕碧沪同学在张春峰教授和王礼鹏同学协助下在南京大学独立完成,该论文的纳米晶团簇样品由南京大学的张辉朝博士和东南大学的张家雨教授共同合成提供。该项研究工作得到了科技部国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金、南京大学登峰人才计划和中央高校基本科研业务费的资助。

由于量子受限效应所导致的尺寸与形状依赖的光学特性,半导体胶体纳米晶长期以来无论在基础研究还是器件应用方面都得到学术界的广泛关注。在激光、发光二极管、光探测器和太阳电池等光电器件中,半导体胶体纳米晶通常被堆积成致密薄膜而存在着相互作用,对由此产生的关联光电行为进行系统的了解和调控将会大幅度地提高光学增益、光吸收/发射和载流子输运等参数指标。常见的相互作用主要包括共振能量转移和电子相干耦合,通常发生在具有纳米尺度距离的几个纳米晶之间,而如何从大密度薄膜中隔离开这样的一个作用体系,从而通过消除系综平均效应来凸显精细的作用机制,长期以来一直是纳米晶光学特性研究领域一个具有挑战性的学术难题。


图1 (a) 大量CdSe/CdS纳米晶团簇的TEM图像。(b)、(c) 单个CdSe/CdS纳米晶团簇的高分辨TEM图像。

在该项工作中,课题组首先合成了大尺寸的CdSe/CdS核-壳纳米晶结构,其中CdSe核的直径为4.2 nm,外面包裹的CdS壳为20个单层厚度(每个单层0.35 nm)。通过调节纳米晶外部的钝化配体并采用多次提纯处理,利用表面自由能的最小化和偶极吸引作用,课题组成功实现了纳米晶团簇结构的大批量合成(图1a)。其中每个团簇中包含4-5个CdSe/CdS核-壳纳米晶(图1b, c),相邻纳米晶较大的中心距离(~20 nm)完全抑制了共振能量转移的发生,而较小的边缘距离(~1-2 nm)使得几个纳米晶电子波函数之间的相干耦合成为可能。采用单粒子光谱测量技术,课题组在室温下观察到单个纳米晶团簇的高效率荧光发射(图2a),而每个纳米晶团簇和单个独立纳米晶相比具有4倍以上增强的光子吸收截面。在4 K低温下,单个纳米晶团簇具有多峰的荧光发射光谱(图2b),分别来自于其所包含的各个CdSe/CdS纳米晶,但同时仍然保持了高纯度的单光子发射特性(图2c),这与4-5个独立CdSe/CdS纳米晶的整体荧光发射几乎不具备单光子特性产生了强烈对比。课题组认为在团簇中纳米晶之间的相干耦合作用下,一个纳米晶中的光生激子可以通过非荧光发射俄歇复合过程将能量传递给相邻纳米晶中的光生激子,导致最后团簇中只有一个纳米晶保存有激子并在跃迁到基态后产生单光子发射。


图2 (a) 室温下多个CdSe/CdS纳米晶团簇的荧光图像。4 K低温下单个CdSe/CdS纳米晶团簇的 (b) 多峰荧光光谱和 (c) 高纯度单光子发射。

该项工作的重要科学意义在于以下三个方面。第一,纳米晶团簇的合成以及其具有的超大吸收截面,不仅实现了低能量注入下的高效率单光子发射,而且为研究单个纳米晶向纳米晶分子过渡中的光电特性演化提供了一个独特的材料平台。第二,将以往单个纳米晶之内激子之间的俄歇复合作用拓展到了多个纳米晶之间,从而为基于大密度纳米晶薄膜的光电器件应用凝练出一个需要重点审视的基本物理过程。第三,单个纳米晶团簇多峰发射所对应的多能级结构以及相互之间的相干耦合,为进一步采用电学或光学方法进行精细调控来实现量子逻辑运算单元提供了新的机遇与可行性。

南京大学王晓勇/肖敏教授课题组长期以来从事半导体纳米结构的单粒子光谱特性研究,为其在光电器件、生物成像和量子信息处理等方面的应用提供学术思路并探索实用化方案。从2012年至今,课题组以南京大学为第一单位、王晓勇教授和肖敏教授作为共同通讯作者发表的文章包括Physical Review Letters 2篇(Phys. Rev. Lett., 2016, 116, 106404;Phys. Rev. Lett., 2017, 119, 026401)、Nature Communications 2篇(Nat. Commun., 2012, 3, 1170;Nat. Commun., 2018, 9, 1536)、Nano Letters 2篇(Nano Lett., 2016, 16, 2492;Nano Lett., 2016, 16, 6425)和ACS Nano 3篇(ACS Nano, 2013, 7, 10654;ACS Nano, 2014, 8, 7060;ACS Nano, 2015, 9, 12410)。

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