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科學家終於開發出:製造「量子點」量子計算機功能元件的方法

來自遠東聯邦大學的科學家和來我們自中國、香港和澳大利亞FEBRAS的同事一起,基於紅外碲化汞量子點製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。

2020-02-09 11:17 / 0人閱讀過此篇文章  

來自遠東聯邦大學的科學家和來我們自中國、香港和澳大利亞FEB RAS的同事一起,基於紅外碲化汞(HgTe)量子點(QDs)製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。

其研究成果發表在《光:科學與應用》期刊上,遠東聯邦大學的科學家與俄羅斯科學院遠東分院的同事和外國專家一起,設計了一種印刷在薄金薄膜表面的共振晶格雷射器。

這種雷射器可以控制碲化汞(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範圍在實現光通信設備、探測器和發射器以及傳感器和下一代安全系統方面非常有希望。

現在發展起來的半導體量子點代表了正好在這個範圍內發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、俄歇複合等)有關,大大降低了紅外發射量子點的強度。

來自遠東聯邦大學(FEFU)和自動化與控制過程研究所(IACP FEB RAS)的科學家與外國同事一起,首次通過應用一種特殊的納米結構共振晶格克服了這一限制。科學家們通過在金薄膜表面進行超精密的直接雷射列印形成了晶格。

這項工作的作者亞歷克桑德·庫奇米茲表示:我們開發的等離子激元晶格,由排列在金膜表面的數百萬個納米結構組成,使用了先進的直接雷射加工技術生產這樣的晶格。

與現有基於光刻的商業方法相比,這種製造技術價格低廉,易於擴展,並允許在厘米級的面積上輕鬆製造納米結構。這為應用所開發方法設計新的光通信設備、探測器和發射器開闢了前景,包括第一個基於紅外發射的量子點(QD)微雷射器。

共振晶格將泵浦輻射轉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,在量子點覆蓋層內的圖案化金膜表面傳播,提供了它們有效的激發,提高了光致發光的產量。

在可見光譜範圍內,量子點的合成已經有幾十年的歷史了。不過,世界上只有幾個科學小組能夠合成近紅外和中紅外波段的量子點。多虧了新開發的等離子激元晶格,它由等離子體納米結構以特殊的方式排列,才能夠控制這種獨特量子點的主要發光特性,例如,通過反覆增加強度和光致發光壽命,降低非輻射複合的效率,以及通過定製和改善發射光譜,量子點是一類很有前途的發光體。

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

然而,在較長波長下,這種量子點的量子產額,隨著輻射發射率的下降而下降,並遵循費米黃金法則,而非輻射複合通道與光發射競爭。對紅外發射量子點的輻射和非輻射通道控制對於提高紅外射程器件的性能至關重要。

新研究通過無燒蝕直接飛秒雷射列印在玻璃支撐的Au薄膜表面產生的耦合,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光激發來實現。其研究結果為設計各種應用的紅外波段器件提供了重要支撐。

博科園|研究/來自:遠東聯邦大學

參考期刊《光:科學與應用》

DOI: 10.1038/s41377-020-0247-6

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