制造出明亮光源量子點，這是量子計算機和先進傳感器的功能元件！

來自遠東聯(lián)邦大學(xué)的科學(xué)家和來我們自中國、中國香港和澳大利亞FEB RAS的同事一起，基于紅外碲化汞(HgTe)量子點(QDs)制造了超微型的明亮光源，量子點是量子計算機和先進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，遠東聯(lián)邦大學(xué)的科學(xué)家與俄羅斯科學(xué)院遠東分院的同事和外國專家一起，設(shè)計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現(xiàn)光通信設(shè)備、探測器和發(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)體量子點代表了正好在這個范圍內(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)射量子點的強度。

來自遠東聯(lián)邦大學(xué)（FEFU）和自動化與控制過程研究所(IACP FEB RAS)的科學(xué)家與外國同事一起，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?？茖W(xué)家們通過在金薄膜表面進行超精密的直接激光打印形成了晶格。

這項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)百萬個納米結(jié)構(gòu)組成，使用了先進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)價格低廉，易于擴展，并允許在厘米級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)計新的光通信設(shè)備、探測器和發(fā)射器開辟了前景，包括第一個基于紅外發(fā)射的量子點(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，在量子點覆蓋層內(nèi)的圖案化金膜表面?zhèn)鞑?，提供了它們有效的激發(fā)，提高了光致發(fā)光的產(chǎn)量。

在可見光譜范圍內(nèi)，量子點的合成已經(jīng)有幾十年的歷史了。不過，世界上只有幾個科學(xué)小組能夠合成近紅外和中紅外波段的量子點。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，才能夠控制這種獨特量子點的主要發(fā)光特性，例如，通過反復(fù)增加強度和光致發(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，量子點是一類很有前途的發(fā)光體。

量子點是通過一種簡單而經(jīng)濟的化學(xué)方法合成，這種材料經(jīng)久耐用，不像有機分子那樣不會降解。化學(xué)合成的近紅外到中紅外膠體量子點(QDs)為實現(xiàn)包括發(fā)射器、探測器、安全和傳感器系統(tǒng)在內(nèi)的器件，提供了一個很有前途的平臺。

然而，在較長波長下，這種量子點的量子產(chǎn)額，隨著輻射發(fā)射率的下降而下降，并遵循費米黃金法則，而非輻射復(fù)合通道與光發(fā)射競爭。對紅外發(fā)射量子點的輻射和非輻射通道控制對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量子點的自發(fā)輻射率得到了強烈增強。

增強是通過與陣列的一階晶格共振光譜匹配的發(fā)射的同時輻射耦合，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)來實現(xiàn)。其研究結(jié)果為設(shè)計各種應(yīng)用的紅外波段器件提供了重要支撐。

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博科園｜研究/來自：遠東聯(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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