基于BIC超表面增強PbS CQDs近紅外發(fā)射的新方法

PbS膠體量子點（CQDs）由于具有帶隙寬、可調(diào)諧以及溶液可加工性強等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于氣體傳感、太陽能電池、紅外成像、光電探測以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題，因此科學家們嘗試利用半導(dǎo)體等離子體納米晶或全介質(zhì)納米諧振腔來增強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。但是普遍存在光場限制能力弱，Q值低的問題。

針對這些問題，近日中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所武愛民研究員團隊與浙江大學金毅副教授團隊合作在Nanophotonics發(fā)表最新文章，將BIC引入到PbS CQDs發(fā)光應(yīng)用中，提出了一種支持對稱保護BIC的硅超表面通過激發(fā)相鄰的高Q泄露導(dǎo)波模式來增強室溫下PbS CQDs的自發(fā)輻射的方案，實現(xiàn)了硅基量子點近紅外片上發(fā)光。

該超表面由亞波長尺寸的硅棒周期性排列而成（圖1a），結(jié)構(gòu)具有各向異性且與偏振相關(guān)。其反射率是入射光角度和波長的函數(shù)，當TE偏振激發(fā)時，對稱保護型BIC會出現(xiàn)在布里淵區(qū)的Γ點處（圖1b），對應(yīng)的電場分布如圖1c所示。基于洛倫茲擬合方法分別從仿真和實驗反射譜中提取出Q值曲線（圖1d），兩者趨勢一致，且激發(fā)的高Q導(dǎo)波模式可以有效的增強量子點的發(fā)射。由圖1e的實驗結(jié)果可以看出，制備的超表面使包覆的PbS CQDs的熒光輻射顯著增強，并且在波長1408 nm處的發(fā)射峰的Q值高達251。隨后，研究人員利用實驗簡單演示了該系統(tǒng)的傳感潛力。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(xiàn)明顯的增強（圖1f）。該研究成果不僅為實現(xiàn)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(shè)計指導(dǎo)與實驗驗證，并為PbS CQDs在硅基片上光源和集成傳感器等各種實際應(yīng)用提供了新思路。

圖1：（a）硅超表面的結(jié)構(gòu)示意圖；（b）TE偏振激發(fā)時，反射率是入射角和入射波長的函數(shù)。在Γ處形成了一個對稱保護型BIC，對應(yīng)波長為1391 nm；(c)對稱保護型BIC的Ey電場分布?；揖€表示結(jié)構(gòu)邊界；(d)與BIC相鄰的泄露導(dǎo)波模式在同一能帶上的Q值隨入射角度的變化。虛線為實驗結(jié)果，實線為仿真結(jié)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(jié)構(gòu)區(qū)域(黑色曲線)和無結(jié)構(gòu)區(qū)域(紅色曲線)的實測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(jié)構(gòu)上引入隨機Au納米顆粒前(紅色曲線)和后(黑色曲線)的實測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。

研究團隊提出的基于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(tǒng)在熒光增強方面的有效性，它是提高PbS膠體量子點在光源和熒光傳感器等各種應(yīng)用中的最好選擇之一。通過提高制造精度或者合并的BIC可以進一步提高增強效果，并且可以通過改變幾何尺寸來調(diào)節(jié)工作波長。這種無源超表面結(jié)構(gòu)可以在商用CMOS平臺上以簡單的工藝制造，因此它可以結(jié)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，近場傳感和紅外成像等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。
責任編輯：彭菁