來自遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)的科學(xué)家和來我們自中國(guó)、中國(guó)香港和澳大利亞FEB RAS的同事一起，基于紅外碲化汞(HgTe)量子點(diǎn)(QDs)制造了超微型的明亮光源，量子點(diǎn)是量子計(jì)算機(jī)和先進(jìn)傳感器的未來功能元件。

其研究成果發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》期刊上，遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)的科學(xué)家與俄羅斯科學(xué)院遠(yuǎn)東分院的同事和外國(guó)專家一起，設(shè)計(jì)了一種印刷在薄金薄膜表面的共振晶格激光器。

這種激光器可以控制碲化汞(HgTe)量子點(diǎn)覆蓋層的近紅外和中紅外輻射特性。近紅外和中紅外光譜范圍在實(shí)現(xiàn)光通信設(shè)備、探測(cè)器和發(fā)射器以及傳感器和下一代安全系統(tǒng)方面非常有希望。

現(xiàn)在發(fā)展起來的半導(dǎo)體量子點(diǎn)代表了正好在這個(gè)范圍內(nèi)發(fā)光很有前途的納米材料。然而，主要問題與基本的物理限制(費(fèi)米黃金法則、俄歇復(fù)合等)有關(guān)，大大降低了紅外發(fā)射量子點(diǎn)的強(qiáng)度。

來自遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)（FEFU）和自動(dòng)化與控制過程研究所(IACP FEB RAS)的科學(xué)家與外國(guó)同事一起，首次通過應(yīng)用一種特殊的納米結(jié)構(gòu)共振晶格克服了這一限制。科學(xué)家們通過在金薄膜表面進(jìn)行超精密的直接激光打印形成了晶格。

這項(xiàng)工作的作者亞歷克桑德·庫奇米茲表示：我們開發(fā)的等離子激元晶格，由排列在金膜表面的數(shù)百萬個(gè)納米結(jié)構(gòu)組成，使用了先進(jìn)的直接激光加工技術(shù)生產(chǎn)這樣的晶格。

與現(xiàn)有基于光刻的商業(yè)方法相比，這種制造技術(shù)價(jià)格低廉，易于擴(kuò)展，并允許在厘米級(jí)的面積上輕松制造納米結(jié)構(gòu)。這為應(yīng)用所開發(fā)方法設(shè)計(jì)新的光通信設(shè)備、探測(cè)器和發(fā)射器開辟了前景，包括第一個(gè)基于紅外發(fā)射的量子點(diǎn)(QD)微激光器。

共振晶格將泵浦輻射轉(zhuǎn)化為一種被稱為表面等離子體的特殊類型電磁波。這樣的波，在量子點(diǎn)覆蓋層內(nèi)的圖案化金膜表面?zhèn)鞑ィ峁┝怂鼈冇行У募ぐl(fā)，提高了光致發(fā)光的產(chǎn)量。

在可見光譜范圍內(nèi)，量子點(diǎn)的合成已經(jīng)有幾十年的歷史了。不過，世界上只有幾個(gè)科學(xué)小組能夠合成近紅外和中紅外波段的量子點(diǎn)。多虧了新開發(fā)的等離子激元晶格，它由等離子體納米結(jié)構(gòu)以特殊的方式排列，才能夠控制這種獨(dú)特量子點(diǎn)的主要發(fā)光特性，例如，通過反復(fù)增加強(qiáng)度和光致發(fā)光壽命，降低非輻射復(fù)合的效率，以及通過定制和改善發(fā)射光譜，量子點(diǎn)是一類很有前途的發(fā)光體。

量子點(diǎn)是通過一種簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的化學(xué)方法合成，這種材料經(jīng)久耐用，不像有機(jī)分子那樣不會(huì)降解?；瘜W(xué)合成的近紅外到中紅外膠體量子點(diǎn)(QDs)為實(shí)現(xiàn)包括發(fā)射器、探測(cè)器、安全和傳感器系統(tǒng)在內(nèi)的器件，提供了一個(gè)很有前途的平臺(tái)。

然而，在較長(zhǎng)波長(zhǎng)下，這種量子點(diǎn)的量子產(chǎn)額，隨著輻射發(fā)射率的下降而下降，并遵循費(fèi)米黃金法則，而非輻射復(fù)合通道與光發(fā)射競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)紅外發(fā)射量子點(diǎn)的輻射和非輻射通道控制對(duì)于提高紅外射程器件的性能至關(guān)重要。

新研究通過無燒蝕直接飛秒激光打印在玻璃支撐的Au薄膜表面產(chǎn)生的耦合，到周期性排列等離子體納米天線上的近紅外到中紅外HgTe量子點(diǎn)的自發(fā)輻射率得到了強(qiáng)烈增強(qiáng)。

增強(qiáng)是通過與陣列的一階晶格共振光譜匹配的發(fā)射的同時(shí)輻射耦合，以及通過將泵浦輻射耦合到孤立納米天線的局部表面等離子體共振，從而提供的更有效的光致發(fā)光激發(fā)來實(shí)現(xiàn)。其研究結(jié)果為設(shè)計(jì)各種應(yīng)用的紅外波段器件提供了重要支撐。

博科園｜研究/來自：遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)

參考期刊《光：科學(xué)與應(yīng)用》

DOI: 10.1038/s41377-020-0247-6

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