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Nano Res.[探測]│山西大學肖連團教授團隊:單量子點光譜與激子動力學研究進展

背景介紹

膠體半導體量子點具有寬帶吸收、窄帶發射、高光致發光量子產率、發射波長可調和便于溶液處理等優點,是制備發光二極管、太陽能電池、探測器、激光器、量子光源等光電器件的優質材料。量子點的激子復合動力學及其光致發光性能主要受量子點尺寸、形貌、核殼結構、表面配體和局部環境等的影響,即使是同一批次合成的量子點也存在一定的差異并影響著量子點的相關應用。量子點激子動力學的精確測量和表征對于制備尺寸均一的高質量量子點并實現其預期應用至關重要。而傳統的時間分辨光致發光光譜和穩態熒光光譜技術所測的都是系綜平均的結果,另外透射電子顯微鏡雖然能夠有效地表征單個量子點的形態,但其無法提供單量子點光學特性的信息。高精度的單量子點光譜技術對單個量子點的光致發光特性的分析可以深入了解量子點的各種成分、粒徑、形貌、核殼結構、表面缺陷、表面配體和局部環境對其激子動力學的影響。因此,單量子點光譜所獲得的結果能夠有效地指導量子點材料的設計,有助于制備尺寸均一、發光性能優異的高質量量子點材料。

成果簡介

近期,山西大學肖連團教授團隊總結了近年來單量子點光譜揭示的激子動力學方面的最新進展,并討論了在單量子點水平上測量和操縱激子動力學的幾種新方法,通過結合近年來該領域的研究進展及本課題組的相關研究,詳細討論了單量子點光譜在研究量子點激子動力學的相關成果及所起到的不可替代的作用,并對該領域未來的挑戰和機遇進行了展望,希望為該領域的持續發展提供一定的參考。

Nano Res.[探測]│山西大學肖連團教授團隊:單量子點光譜與激子動力學研究進展

要點一:單激子動力學與光致發光閃爍的測量
單量子點在光激發下,其光致發光強度會隨時間發生高低起伏或間歇性的中斷,該現象被稱為量子點的光致發光閃爍,光致發光閃爍是單量子點等單粒子所特有的現象。由于量子點的光致發光主要來源于單激子的輻射復合,因此,光致發光閃爍主要源于單激子輻射強度的變化。通過對比單量子點光致發光強度和壽命隨時間的變化關系可以有效地揭示量子點的光致發光閃爍的起源。單量子點的光致發光閃爍機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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要點二:光致發光閃爍的操控
目前,操控單量子點光致發光閃爍的方法可總結為四類:通過調節單量子點的激發光光場操控其光致發光閃爍特性,通過調節單量子點的費米能級操控其光致發光閃爍特性,通過調節單量子點的核殼結構操控其光致發光閃爍特性,通過調節單量子點的充、放電速率操控其光致發光閃爍特性。
要點三:雙激子及更高階激子動力學的測量
傳統光譜測量多激子動力學的方法通常包括多峰擬合系綜量子點的熒光光譜和多指數函數擬合量子點的時間分辨光譜,相關的數據處理結果誤差較高且受量子點帶電態的影響較大。單量子點光譜技術的快速發展為多激子動力學的測量另辟蹊徑。通過辨別同一脈沖光激發下探測器探測到的單個量子點發射光子的先后順序就可以有效區分單激子、雙激子和多激子輻射,進而有效提取多激子動力學信息。
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要點四:多激子動力學的操控量
目前,操控單量子點多激子動力學的方法主要包括:通過調節單量子點的界面環境操控其多激子動力學,通過調節單量子點的核殼結構操控其多激子動力學等。通過時間門控的方法可以有效消除多激子輻射的影響,這是辨別單量子點的重要武器。
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要點五:展望
單量子點光譜在研究量子點激子動力學方面具有巨大的應用潛力。然而,目前仍存在一些挑戰,如單量子點光譜需要逐個對量子點進行測量因而研究效率較低,測量單量子點絕對量子產率目前也沒有有效的方法,研究單量子點的材料結構對光學特性的影響尚缺少有效手段。鑒于量子點優異的光電性能,單量子點光譜技術的進一步革新將有助于更優異的量子點的制備,另外基于單量子點制備單光子源和糾纏光源仍是該領域的重要研究方向。
作者簡介

張國峰,山西大學教授,博士生導師,山西省優秀青年學術帶頭人。山西大學原子與分子物理專業畢業,2012年-2014年比利時魯汶大學博士后。主要從事單量子點光譜、受限量子體系的激子動力學、納米材料與器件所涉及的光電特性及電子、能量轉移動力學等相關研究。在Phys. Rev. Lett., Nano lett., Small, J. Phys. Chem. Lett., APL等學術期刊共發表SCI等論文90多篇;授權發明專利23項;參與撰寫及翻譯論著章節3篇;主持國家自然科學基金4項,教育部基金1項,主持山西省高等學校創新人才支持計劃和留學回國人員科技活動擇優資助等項目。參與國家973計劃、重大科研儀器研制等項目多項。所獲得的獎勵及榮譽有山西省三晉英才支持計劃青年優秀人才、山西省高等學校創新人才支持計劃、山西省優秀研究生博士學位論文指導教師等。

肖連團,博士研究生導師,國家百千萬人才工程入選者,教育部創新團隊帶頭人。現任太原理工大學黨委常委、副校長;山西大學激光光譜研究所所長、量子光學與光量子器件國家重點實驗室副主任。主持國家重點研發計劃項目、國家高技術研究發展計劃 (863計劃)、973計劃前期研究專項、國家自然科學基金等科研項目22項。在國際重要學術期刊Nature Phys., Light: Science & Applications, Phys. Rev. Lett., Nano Letters, Appl. Phy. Lett., Phys. Rev. A等和國內核心刊物上發表學術論文360余篇,獲國家發明專利60余項以及1項美國授權發明專利。獲多項獎勵,包括山西省自然科學一等獎2項、山西省技術發明一等獎1項、山西省科技進步二等獎2項,2005年被評為山西省青年學術帶頭人,2006年人選教育部新世紀優秀人才支持計劃,2009年被評為山西省高等學校中青年拔尖創新人才,2012年度教育部長江學者特聘教授。2015年入選國家百千萬人才工程并享受國務院特殊津貼。2016年獲山西省五一勞動獎章,2017年獲第九屆山西省優秀科技工作者稱號。

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