中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
PbS膠體量子點(diǎn)（CQDs）由于具有帶隙寬、可調諧及溶液可加工性強等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于氣體傳感、太陽(yáng)能電池、紅外成像、光電探測及片上光源的集成光子器件中。然而，PbS CQDs普遍存在發(fā)射效率低和輻射方向性差的問(wèn)題，因而科學(xué)家嘗試利用半導體等離子體納米晶或全介質(zhì)納米諧振腔來(lái)增強PbS CQDs的近紅外熒光發(fā)射，使其成為更高效、更快的量子發(fā)射器。然而，普遍存在光場(chǎng)限制能力弱、Q值低的問(wèn)題。
近日，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所研究員武愛(ài)民團隊與浙江大學(xué)副教授金毅團隊合作，將BIC引入到PbS CQDs發(fā)光應用，提出了支持對稱(chēng)保護BIC的硅超表面通過(guò)激發(fā)相鄰的高Q泄露導波模式來(lái)增強室溫下PbS CQDs的自發(fā)輻射的方案，實(shí)現了硅基量子點(diǎn)近紅外片上發(fā)光。
該超表面由亞波長(cháng)尺寸的硅棒周期性排列而成（圖a），結構具有各向異性且與偏振相關(guān)。它的反射率是入射光角度和波長(cháng)的函數。當TE偏振激發(fā)時(shí)，對稱(chēng)保護型BIC會(huì )出現在布里淵區的Γ點(diǎn)處（圖b），對應的電場(chǎng)分布如圖c所示。研究基于洛倫茲擬合方法分別從仿真和實(shí)驗反射譜中提取出Q值曲線(xiàn)（圖d），兩者趨勢一致，且激發(fā)的高Q導波模式可以有效的增強量子點(diǎn)的發(fā)射。由圖1e的實(shí)驗結果可以看出，制備的超表面使包覆的PbS CQDs的熒光輻射顯著(zhù)增強，且在波長(cháng)1408 nm處的發(fā)射峰的Q值高達251。進(jìn)一步，科研人員利用實(shí)驗簡(jiǎn)單演示了該系統的傳感潛力。該工作將稀疏度為4/1000 μm2、直徑為60 nm的Au納米顆粒隨機分布在涂敷PbS CQDs的超表面頂部，通過(guò)與不含Au納米顆粒的樣品相比，PL峰從1408 nm紅移到1410 nm，且強度出現明顯的增強（圖f）。該研究為實(shí)現支持BIC的介電超表面可以有效地增強PbS CQDs的發(fā)射性能提供了設計指導與實(shí)驗驗證，并為PbS CQDs在硅基片上光源和集成傳感器等各種實(shí)際應用提供了新思路。
該團隊提出的基于BIC超表面增強PbS CQDs近紅外發(fā)射的新方法，是一種普適、高效、功能廣泛的方法。該方法證明了BIC系統在熒光增強方面的有效性。它是提高PbS膠體量子點(diǎn)在光源和熒光傳感器等各種應用中的最好選擇之一。通過(guò)提高制造精度或者合并的BIC可進(jìn)一步提高增強效果，并可以通過(guò)改變幾何尺寸來(lái)調節工作波長(cháng)。這種無(wú)源超表面結構可以在商用CMOS平臺上以簡(jiǎn)單的工藝制造，因而它可以結合到硅光子集成中，用于硅基片上光源以及熒光傳感器，在多通道通信、近場(chǎng)傳感和紅外成像等領(lǐng)域均有廣闊的應用前景。
相關(guān)研究成果以Fluorescence Enhancement of PbS Colloidal Quantum Dots from Silicon Metasurfaces Sustaining Bound States in the Continuum為題，在線(xiàn)發(fā)表在《納米光子學(xué)》（Nanophotonics）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )、上海市學(xué)術(shù)帶頭人項目和國家自然科學(xué)基金的支持。
（a）硅超表面的結構示意圖。（b）TE偏振激發(fā)時(shí)，反射率是入射角和入射波長(cháng)的函數。在Γ處形成了一個(gè)對稱(chēng)保護型BIC，對應波長(cháng)為1391 nm。（c）對稱(chēng)保護型BIC的Ey電場(chǎng)分布?；揖€(xiàn)表示結構邊界。（d）與BIC相鄰的泄露導波模式在同一能帶上的Q值隨入射角度的變化。虛線(xiàn)為實(shí)驗結果，實(shí)線(xiàn)為仿真結果，插圖為硅超表面的SEM圖像。（e）在同一塊SOI襯底表面旋涂PbS CQDs，超表面結構區域（黑色曲線(xiàn)）和無(wú)結構區域（紅色曲線(xiàn)）的實(shí)測PL譜。插圖為頂部涂敷PbS CQDs的超表面的SEM圖像。（f）在超表面結構上引入隨機Au納米顆粒前（紅色曲線(xiàn)）和后（黑色曲線(xiàn)）的實(shí)測PL譜。插圖為表面隨機分布Au納米顆粒的頂部涂敷PbS CQDs的超表面的SEM圖像。
