量子链
名词解析
在一定的生长条件下, 多层量子点结构中的量子点在横向方向也可以有序排列, 从而形成链状量子点结构, 这里我们称之为量子链。 由于同一链上的量子点之间间隔可以很小, 从而导致载流子之间的横向耦合, 表现出独特的光学特性.本文主要研究载流子沿量子链方向输运对光学特性的影响。
量子链
简介
近年来,随着纳米技术的发展,人们已经能够研究量子点的电子输运性质.由于量子点有许多独特的物理性质,并且是未来介观或量子小体系器件的重要组成部分,也是研究微电子器件的首要元件,所以它已经成为人们目前研究的热点.由于量子点揭示了许多类原子的性质,如分立的能级和剩余电子填充的壳层结构等,所以通常被称为人造原子,与真正原子相比,量子点中填充的电子数是可调的,且量子点外部形状可变,由此,对量子点的研究可以更加直观方便地探测到原子的某些未知的特性.如果称单量子点为人造原子的话,则量子点的排列可以类似地称作人造分子或人造晶格,它们与完好量子线耦合,可以对完好量子线的传输性质起到不同程度的调制作用。
GaAs量子点结构是一种已经得到广泛研究和应用的新型纳米结构, 虽然人们可以通过控制生长条件, 控制量子点的密度, 大小, 改善均匀性, 但一般来说, 量子点在二维浸润层上是随机分布的.在多层量子点结构中, 由于应力场的作用, 量子点可以在垂直方向有序排列, 此时, GaAs层的厚度一般比较薄, 有利于应力场的传递.
基于量子线、量子点的光电器件由于在激光器、探测器以及光子晶体上的巨大应用潜力, 因此该方面的研究引起了人们极大的兴趣.对于量子点器件来说, 量子点密度、大小以及均匀性对器件性能至关重要, 因此这方面的研究也受到人们的广泛关注。在量子链结构中, 由于同一链上的量子点之间间隔很小, 从而导致载流子之间的横向耦合, 表现出独特的光学特性。
与量子点对比量子链主要特性
能带填充效应
比较了10K下不同激发功率下量子链样品 (a) 和量子点样品 (b) 的稳态光荧光光谱形状的变化, 用532nm激光激发.可以看到, 随着激发功率P的增加, 量子链样品光谱明显展宽 (半宽从0.1mW时的41meV变为20mW时的73meV) , 高能端发光相对增强, 当激发功率大于10mW时, 出现高能发光峰, 说明量子链样品中有明显的高能布居和能带填充效应。
能带填充效应源于量子链中量子点尺寸的不均匀.低激发时, 光致载流子主要布居在大量子点所对应的较低能级, 随着激发强度增加, 低能级开始饱和, 小量子点所对应的高能级开始填充, 高能端发光增强, 光谱展宽.而量子点样品, 尺寸相对比较均匀, 光谱峰值位置基本不随激发功率变化, 光谱展宽相对较小。
荧光偏振特性
比较了两个样品的荧光偏振特性, 图2 (a) 和图2 (b) 分别给出了两个样品偏振荧光光谱, 用532nm激光激发.实验中, 我们在单色仪前放了线偏振片和一个λ/2波片, 通过旋转波片, 使进入单色仪的荧光偏振方向不变, 从而消除了光栅对荧光两个偏振分量的影响.荧光偏振度η用下式来定义: η= (I[011]-I[011]) / (I[011]+I[011])
可以算出量子链样品荧光偏振度为25%, 而普通量子点样品的荧光没有明显的偏振特性。
量子链样品之所以有明显的偏振特性, 是因为同一链上的量子点之间有很强的耦合, 而链与链之间间距又很大, 结构上与量子线类似, 因而有明显的光学各向异性.对于量子点样品, 量子点在二维平面上随机分布, 量子点之间间距较大, 耦合作用较弱, 因而不会表现出明显的光学各向异性.但由于量子点本身的形状一般呈椭圆形。
荧光衰退特性
比较了量子链和量子点样品不同能量位置的荧光衰退特性, 我们可以看到量子链样品的荧光寿命随能量变化很大, 而量子点样品的寿命随能量变化相对较小.对于量子链样品, 荧光衰退寿命随发光能量的变化清楚地表明参与发光的载流子在量子点之间相互有输运.一般来说, 位于高能端的载流子在参与复合发光的同时, 还会迅速弛豫到能量较低的能级, 其结果是导致整个荧光衰退过程变快.而在低能级位置, 由于不断有载流子供给, 荧光衰退就变慢。
荧光寿命
量子链的荧光寿命随激发功率迅速增加, 然后饱和, 而量子点样品的荧光寿命随激发功率缓慢增加. 当激发功率较小时, 光生载流子主要布居在大量子点所对应的较低能级, 随激发强度增加, 低能级饱和, 小量子点所对应的高能级开始被填充, 高能端发光增强, 光谱展宽,。这种由高能级向低能级的载流子转移过程趋于饱和, 从而导致发光寿命基本不变。对于量子点样品, 由于量子点之间耦合相对较小, 所以载流子转移-有效供给加大-荧光寿命增加这一过程不像量子链样品那样明显, 实验上表现为荧光寿命随激发强度的增加而缓慢增加。