兰胜教授研究团队在Nature Communications上发表高水平学术论文

2018-09-02 17:28:36
科学研究

最近,澳门皇冠信息光电子技术学院蓝生教授的研究团队在硅基纳米材料发光研究方面取得了重要进展。他们发现,如果使用飞秒激光来激发特征尺寸为200nm的硅纳米粒子的电/磁偶极共振,则硅纳米粒子可以实现非常有效的白光发射。他们提出了一种测量单个硅纳米粒子荧光量子效率的实验方法,并发现与体硅相比,硅纳米球的量子效率提高了近五个数量级。

硅是一种常用的半导体材料,广泛用于电子元件,探测器,光波导和太阳能电池。由诸如硅基光源,波导,检测器和光学开关的微纳米光子器件组成的集成光学路径被认为是替代方案。现有集成电路最有前途的解决方案。到目前为止,已经实现了集成的硅基光波导,光学发光和探测器,但是可以使用现代硅工艺制造并且可以集成的硅基光源仍未解决,主要是因为硅是间接带隙半导体,它的辐射复合过程需要声子的参与,因此发光效率非常低。多年来,研究人员一直在寻找提高硅基材料发光效率的方法。尽管多孔硅和硅量子点的发光效率相对于块状材料大大提高,但它们与现代硅工艺不兼容并且难以与其他硅基器件集成。

Lan Sheng教授的研究小组近年来一直致力于研究半导体纳米材料的非线性光学特性。 2013年,他们首次使用飞秒激光烧蚀技术制备硅纳米粒子自组装形成的硅纳米花。发现硅纳米花在800nm飞秒激光的激发下产生强烈的二次谐波。波浪并导致斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射[The Journal of Physical Chemistry C 117,24625(2013)]。 2017年,他们发现GaAs纳米球在飞秒激光的激发下产生了非常有效的热电子带内荧光[Nano Letters 17,4853(2017)]。

利用飞秒激光激发硅纳米粒子的电/磁偶极共振产生有效白光发射的物理机制如图1所示。他们首先从理论上分析了增强硅纳米粒子荧光的内在物理机制,使用电/磁偶极子共振增强硅纳米粒子的多光子吸收,同时使用电/磁四极共振来增强荧光发射。由于共振激发电/磁偶极子可以在硅纳米颗粒中产生高载流子浓度,显着增强的俄歇效应极大地延长了载流子的非辐射复合寿命τnr,同时存在电/磁四极辐射复合寿命载流子的τr减小,两者一起使荧光量子效率(η=1 /(1 + tr/tnr))增加近五个数量级。

他们在实验中首次测量:(1)当飞秒激光激发其电磁偶极共振时,硅纳米球或纳米柱可产生有效的白光发射; (2)单个硅纳米颗粒的荧光寿命约为52ps; (3)硅纳米球的量子效率约为1.22%,比体硅材料(~10-7)高5个数量级。研究范围从飞秒激光烧蚀制备的硅纳米球到电子束曝光和离子刻蚀制备的硅纳米柱,表明这种硅基纳米光源不仅可以用于现代。硅芯片工艺与制造工艺兼容,并且可以与其他基于硅的纳米器件轻松集成,为开发兼容的硅基光源开辟了新的思路。

研究结果的标题是用Mie共振照射硅纳米颗粒,并发表在Nature的期刊Nature Communications [Nat。 Communs。 9,2964(2018),IF=12.353]。论文的第一个完成单元是澳门皇冠注册官网。第一作者是广州大学教授张成云。他是兰生教授的在职博士生。暨南大学副教授徐毅是共同第一作者。澳门皇冠注册官网兰生教授和澳大利亚南威尔士大学的Andrey E. Miroshnichenko教授是合着者。来自中山大学的刘进教授和李俊熙教授以及兰生教授李辉,项进教授和李金祥教授参加了这项研究。

今年,兰生教授的研究团队还展示了硅纳米显示器中的电磁辐射[Laser and Photon。 Rev. 12,1800032(2018),IF=8.529]和高阶等离子体模式的金纳米粒子[Nanoscale 10,9153(2018)),IF=7.233]在研究中取得了重要成果(http://nano.scnu.edu) .CN)。上述研究得到了国家自然科学基金,国家重点研发计划,省基金的基础研究和基础培育以及省级高水平建设项目的支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-05394-z

DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-018-05394-z

作者/通讯员:张俊杰|来源:信息光电子研究所|编辑:杨柳青