通訊單位：山西大學，量子光學與光量子器件國家重點實驗室，鐳射光譜研究所

論文DOI： 10.1021/acs.jpclett.0c02832

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基於時間分辨的光子統計方法發展了一種精確測量雙激子絕對量子產率的方法，定量地研究了單量子點表面俘獲和激子帶電對雙激子動力學的影響。

背景介紹

研究單量子點的雙激子動力學對於基於量子點的光伏裝置、發光二極體、鐳射器及糾纏光子源等器件的應用研究具有重要的意義。膠體量子點是三維受限的奈米半導體顆粒，在鐳射激發下單量子點可能會一次吸收兩個光子形成具有庫倫相互作用的兩對電子空穴對，即被稱為雙激子。單量子點的雙激子形成機率小、量子產率低和輻射弛豫快，開展單量子點雙激子動力學的研究具有極大地挑戰性。量子點的表面俘獲和激子帶電對單激子動力學的影響已經被進行了系統的實驗研究，那麼我們是否可以開展表面俘獲和激子帶電對雙激子動力學的影響呢？

本文亮點

1)發展了一種測量雙激子絕對量子產率的新方法，該方法突破了弱光激發條件的限制；

2)基於該方法定量地測量了量子點帶電和量子點表面俘獲對雙激子動力學的影響。

圖文解析

在先前的工作中，人們發展了基於二階關聯函式的方法獲得了單、雙激子的量子產率的比值，該方法需要在弱光激發的條件下收集單個量子點的發光，且該方法只能在已知單激子量子產率的情況下間接地獲取雙激子量子產率。為了打破弱光激發的限制，可以定量地獲得雙激子的絕對量子產率，我們基於時間分辨的光子統計發展了一種直接獲取雙激子量子產率的新方法：

利用該方法，我們可以獲得雙激子量子產率隨量子點發光強度變化的關係。

圖1為量子點帶電對雙激子動力學的影響。透過對比單量子點發光強度和壽命的關係，得出被測量的單量子點的發光閃爍是源於量子點的帶電，藍色和綠色區域分別代表單量子點處於中性態和帶電態。利用上述方法可以分別提取中性態和帶電態的雙激子量子產率，再結合雙激子壽命就可以分別獲得中性態和帶電態雙激子動力學。

Figure 1. Biexciton QYs, radiative and nonradiative rates in a single QD in neutral and charged states. (a) Typical PL trajectory for a single QD with binning time of 10 ms, where the PL blinking originates from the charging and discharging of the QD. (b) Corresponding FLID in color scale. (c) Corresponding charged and neutral biexciton QYs. (d) Corresponding total decay rates, radiative rates and Auger rates of the charged and neutral biexcitons.

圖2為統計實驗結果和非對稱能帶結構理論模型。透過統計對比中性態和帶電態的雙激子動力學，發現實驗與非對稱能帶結構理論符合的很好，這也驗證了我們方法的正確性。

Figure 2. Ratios and schematic for both radiative recombination and Auger nonradiative recombination rates of the charged and neutral biexciton states. (a) Statistical distribution of the ratio of radiative rates (kXX-,r/kXX,r) and of Auger nonradiative rates (kXX-,A/kXX,A) between charged and neutral biexciton states for ~78 single QDs. The histograms ofkXX-,r/kXX,r and kXX-,A/kXX,A with Gaussian fitting are shown along the horizontal (top) and the vertical (right) axes, respectively. (b) Schematic of radiative recombination pathways and Augernonradiative recombination of the charged biexciton state for a CdSe-based QD.

圖3為單量子點表面俘獲對雙激子動力學的影響。透過對比量子點發光強度和壽命的關係，得出被測量的單量子點的發光閃爍是由於量子點表面俘獲造成的，表面俘獲的活化會為量子點的激子提供額外的非輻射覆合通道。分別提取不同單量子點發光強度的雙激子量子產率，再結合雙激子壽命就可以分別獲得不同發光強度對應的雙激子動力學。透過擬合可以獲取表面俘獲對雙激子動力學的影響。

Figure 3. Effects of surface traps on biexciton QYs, radiative and nonradiative rates in a single QD. (a) Typical PL trajectory for a single QD with binning time of 10 ms, and the PL blinking originated from the activation and deactivation of surface traps. (b) Corresponding FLID in color scale. (c) Biexciton QY as a function of PL intensity for the PLtrajectory in (a), and a fitted curve (red line). (d) Corresponding total decay rate (kXX), radiative rate (kXX,r) and nonradiative rate (kXX,nr) of the biexciton as a function of PL intensity.

圖4為統計實驗結果和雙激子表面俘獲非輻射覆合模型。透過統計對比表面俘獲對單激子和雙激子動力學的影響，建立了雙激子表面俘獲非輻射覆合模型，並對實驗現象進行了解釋。

Figure 4. Ratios and schematic for both radiative recombination and nonradiative recombination rates. (a) Statistical distributions of α (α=kXX,r/kX,r) and β (β=kXX,nr,trap/kX,nr) plotted for ~72 single QDs. The histograms of α and β with Gaussian fitting are shown along the horizontal (top) and the vertical (right) axes, respectively. (b) Schematic of radiative recombination pathways (red arrows), Auger and surface nonradiative recombination processes for the biexciton state.

總結與展望

該研究工作發展了一種可以在較高的激發條件下直接獲得單量子點雙激子絕對量子產率的新方法，實現了對單量子點進行強度依賴的雙激子動力學的研究。發現量子點表面俘獲也能為雙激子提供額外的非輻射覆合通道。該工作突破了弱光激發限制條件，為量子點多激子動力學的研究提供了普適的新方法。

參考文獻

Bin Li et al., Biexciton Dynamics in Single Colloidal CdSe Quantum Dots, Journal of Physical Chemistry Letters, J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 10425−10432，DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c02832

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.0c02832

作者介紹

李斌博士2020年獲得山西大學博士學位，於2020年7月進入山西師範大學物理資訊工程學院。研究方向為時間分辨單量子點光譜。在Journal of Physical Chemistry Letters, Optics Express等知名國際期刊發表研究結果。

張國峰教授為山西大學鐳射光譜研究所教授，博士研究生導師。主要研究領域包括單量子點光譜、受限量子體系的激子動力學、單分子時間分辨光譜、電子與能量轉移動力、光學探針與熒光成像等。共發表SCI論文60餘篇；授權發明專利13項；參與撰寫及譯論著章節3篇；主持國家自然科學基金4項，教育部基金1項，山西省高等學校創新人才支援計劃和留學回國人員科技活動擇優資助專案。

肖連團教授為長江學者特聘教授，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。現任山西大學鐳射光譜研究所所長，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專案、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專案13項。在國際重要學術期刊Nature Phys., Light: Science & Applications, Phys. Rev. Lett., J. Phys. Chem. Lett., Appl. Phy. Lett., Phys. Rev. A等刊物上發表學術論文120餘篇，獲國家發明專利15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兩項、山西省科技進步二等獎兩項，2005年被評為山西省青年學術帶頭人，2006年入選教育部新世紀優秀人才支援計劃，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並享受國務院特殊津貼。