量子点单光子源及其制备方法研究进展

本文概述了量子保密通讯中面临的三大关键技术。并对关键技术之一的单光子源技术进行了重点介绍，如量子点作为单光子源的研究概况，单光子发射的实现、激子跃迁、双激子跃迁引起的聚束和反聚束效应和光子相关测量等。并介绍了国际上制备半导体自组装量子点在形貌、发光谱、极化以及近场光学用于量子点极化和激子发射等研究方面所取得的进展。     

量子点单光子源及其制备方法研究进展

本文概述了量子保密通讯中面临的三大关键技术。并对关键技术之一的单光子源技术进行了重点介绍,如量子点作为单光子源的研究概况,单光子发射的实现、激子跃迁、双激子跃迁引起的聚束和反聚束效应和光子相关测量等。并介绍了国际上制备半导体自组装量子点在形貌、发光谱、极化以及近场光学用于量子点极化和激子发射等研究方面所取得的进展。     

单量子点的发光与应用EI北大核心CSCD

由于量子限制效应,自组装半导体单量子点具有类似于原子的分立能级,可实现高不可分辨、高亮度和高纯度的单光子发射,其多种激子态能够产生不同偏振模式的光子。而光学微纳结构是调控量子点发光性质的有效手段,当单个量子点与光学微腔发生弱耦合时,Purcell效应将大大提高量子点作为单光子源或纠缠光子对源的性能。同时,量子点与光学微腔的强耦合系统可以作为量子光学网络中的量子节点,以及用于研究单光子水平的光学非线性效应。利用量子点与光学波导的耦合可实现固态量子比特和飞行光子比特的相干转换,以及高效的信息处理与传输,由此构建可靠的片上光学网络。此外,单量子点还具有可操控的自旋态,可作为量子比特的载体。考虑到量子点器件的制备过程易与成熟的半导体技术相结合,基于量子点的器件设计具有良好的可扩展性和集成化潜力。     

InAs 单量子点中级联辐射光子的关联测量

利用分子束外延生长InAs单量子点样品,温度为5 K时,测量了单量子点中单、双激子自发辐射的荧光(PL)光谱.研究了单、双激子发光强度随激发功率的变化及对应发光峰的偏振特性和精细结构劈裂.基于Hanbury-Brown Twiss(HBT) 实验,测量了单、双激子间发光光谱的关联函数,证实了其发光过程为级联发射过程. 关键词： InAs 单量子点 单、双激子 荧光光谱 级联辐射     

InAs 单量子点精细结构光谱

在5 K下,采用光致发光光谱和时间分辨光谱研究了不同单量子点的精细结构和对应发光光谱的偏振性、单激子/双激子发光光谱和相应发光动力学。给出InAs单量子点发光光谱所对应能级的精细结构及激子本征态的偏振特性。当精细结构能级劈裂为零时, 激子的本征态为简并的圆偏振态。而当精细结构能级劈裂大于零时,一般在几十到几百μeV,激子的本征态为非简并的线偏振态。相对于单激子发光寿命,激子-激子间的散射使单激子的复合发光寿命减小。     

电场调谐InAs量子点荷电激子光学跃迁

在低温5 K下, 采用光致发光光谱及外加偏压调谐量子点电荷组态研究了InAs单量子点的精细结构和对应发光光谱的偏振性、不同带电荷激子的圆偏振特性. 得出如下结果: 1) 指认InAs单量子点中不同荷电激子的发光光谱和对应的激子本征态的偏振特性; 2) 外加偏压可以调谐量子点的荷电激子的发光光谱; 3) 伴随着电子、空穴的能量弛豫, 电子的自旋弛豫时间远大于空穴的自旋弛豫时间. 关键词： InAs量子点 激子 荧光光谱 电场调谐     

神经网络法研究多溴代二苯胺热力学性质

通过时间分辨光谱技术详细地研究了ZnCuInS/ZnSe/ZnS量子点的激子弛豫动力学. 基于速率分布模型,波长依赖的发射动力学表明本征激子、界面缺陷态中的激子、给-受体对态中的激子都会参与量子点的发光过程,整个发光过程主要依赖于给-受体对态发射. 瞬态吸收数据表明激发后本征激子和界面缺陷物种可能会同时出现,在高激发光强下,光强依赖的俄歇复合过程也存在于量子点中     

Zno纳米晶的室温紫外受激发射特征

ZnO的激子特性对制备氧化锌基的光电子器件至关霞要,因此对ZnO量子点中激子的发光性质及其跃迁过程进行研究显得十分必要.采用溶胶-凝胶法制备了ZnO纳米晶,X射线衍射(XRD)结果表明样品具有六角纤锌矿多晶结构.研究了在不同泵浦功率激发下ZnO纳米晶的紫外发射的时间积分光谱和时间分辨光谱,观察到自南激子发光,激子-激子碰撞和电子-空穴等离子体引起的受激发射,研究了在不同泵浦功率激发下自由激子及激子-激子碰撞随泵浦功率依赖的动力学过程.研究结果对理解激子带边发射有一定帮助,对ZnO材料在短波长半导体光电器件方面有潜在的应用价值.     

CdTe量子点的室温激子自旋弛豫动力学

利用交叉偏振三阶非线性瞬态光栅技术,研究了室温下CdTe胶体量子点激子自旋弛豫动力学的尺寸效应.在抽运-探测光子能量与CdTe量子点的最低激子吸收(1Se—1Sh)跃迁相共振时,量子点激子自旋弛豫显示了时间常数为0.1—0.5 ps的单指数衰减行为.CdTe量子点激子自旋的快速弛豫源于亮暗激子精细结构态跃迁,即J=±1←→■2跃迁.激子自旋弛豫主要由空穴的自旋翻转过程决定.研究结果表明:CdTe量子点激子自旋弛豫速率与量子点尺寸的4次方成反比.     

激子自旋弛豫对简并量子点发射光子对纠缠度的影响

利用粒子数运动方程和量子回归理论，计算了单个半导体量子点双激子体系脉冲激发下粒子在各能级间辐射跃迁的二阶交叉相关函数以及系统发射光子对的偏振密度矩阵.分析了激子态能级简并量子点体系发射光子对偏振纠缠特性，讨论了纠缠度随激子态间自旋弛豫的变化关系.研究表明，激子自旋弛豫会破坏该系统发射光子对的纠缠度. 关键词： 纠缠光子对 半导体量子点 二阶相关函数     

CdSeS合金结构量子点的多激子俄歇复合过程

多激子效应通常是指吸收单个光子产生多个激子的过程,该效应不仅可以为研究基于量子点的太阳能电池开拓新思路,还可以为提高太阳能电池的光电转换效率提供新方法.但是,超快多激子产生和复合机制尚不明确.这里以CdSeS合金结构量子点为研究对象,研究了其多激子生成和复合动力学.稳态吸收光谱显示, 510, 468和430 nm附近的稳态吸收峰,分别对应1S_(3/2)(h)-1S(e)(或1S), 2S_(3/2)(h)-1S(e)(或2S)和1P_P(3/2)(h)-1P(e)(或1P)激子的吸收带.通过飞秒时间分辨瞬态吸收光谱和纳秒时间分辨荧光光谱两种时间分辨光谱技术对CdSeS合金结构量子点的超快动力学进行了探究,结果显示, 1S激子的双激子复合时间大概是80 ps,这一时间比传统量子点的双激子复合时间(小于50 ps)延长了近一倍,结合最近发展的超快界面电荷分离技术,在激子湮灭之前将其利用起来,这一时间的延长将有很大的应用前景;其中,在2S和1P激子中除上述双激子复合外,还存在一个通过声子耦合路径的空穴弛豫过程,时间大概是5—6 ps.最后,利用纳秒时间分辨荧光光谱得到该样品体系单激子复合的时间约为200 ns.     

InAs/GaAs单量子点中电子/空穴自旋弛豫

利用分子束外延制备了三种类型量子点样品,它们分别是:未掺杂样品、n型Si调制掺杂样品和p型Be调制掺杂样品。在5 K温度下,采用共聚焦显微镜系统,测量了单量子点的光致发光谱和时间分辨光谱, 研究了单量子点中三种类型激子(本征激子、负电荷激子和正电荷激子)的电子/空穴自旋翻转时间。它们的自旋翻转时间常数分别为: 本征激子的自旋翻转时间约16 ns, 正电荷激子中电子的自旋翻转时间约2 ns, 负电荷激子中空穴的自旋翻转时间约50 ps。     

量子点操控的光子探测和圆偏振光子发射

半导体量子点是研究光子与电子态相互作用的优选固态体系,并在光子探测和发射两个方向上展现出独特的技术机遇.其中基于量子点的共振隧穿结构被认为在单光子探测方面综合性能最佳,但受到光子数识别、工作温度两个关键性能的制约.利用腔模激子态外场耦合效应,有望获得圆偏振态可控的高频单光子发射.本文介绍作者提出的量子点耦合共振隧穿（QD-cRTD）的光子探测机理,利用量子点量子阱复合电子态的隧穿放大,将QD-cRTD光子探测的工作温度由液氦提高至液氮条件,光电响应的增益达到10⁷以上,并具备双光子识别能力;同时,由量子点能级的直接吸收,原型器件获得了近红外的光子响应.在量子点光子发射机理的研究方面,作者实现了量子点激子跃迁和微腔腔模共振耦合的磁场调控,在Purcell效应的作用下增强激子自旋态的自发辐射速率,从而增强量子点中左旋或右旋圆偏振光的发射强度,圆偏度达到90%以上,形成一种光子自旋可控发射的新途径.     

变分法计算ZnO量子点中激子的基态能

ZnO是一种新型宽禁带直接带隙Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,室温激子束缚能高达60meV,远大于室温热离化能(26meV),因此ZnO是适于室温或更高温度下使用的高效紫外发射材料。ZnO半导体量子点材料与体材料相比具有崭新的光电特性,特别在紫外激光器件方面,与ZnO的激子特性密切相关,因此理论上对ZnO量子点中激子的基态能(束缚能)的研究就显得十分必要。采用有效质量近似(EMA)方法,提出新的比较简单的尝试波函数,并用变分法对ZnO量子点的激子基态能进行了计算。将计算结果与我们用固态热分解法制备的ZnO量子点的实验结果进行了比较,发现与实验结果非常吻合;与Y．Kayanuma的理论计算结果进行了比较,二者的计算结果也基本一致。说明选取的尝试波函数简单有效,可用于计算其他半导体量子点材料,具有一定的实用价值。     

半导体InAs量子点单光子发射器件

文章概述了量子点单光子源的研究现状,综述了微腔量子点耦合单光子发射器件制备中关键的低密度InAs量子点外延技术,单量子点单光子发射二阶关联函数HBT检测方法,分布布拉格反馈微腔结构的制备以及实现液氮温度下电驱动微腔量子点单光子发射器件等研究结果.     

微腔增强发射的半导体量子点单光子源

单光子源是实现量子密匙分配、线性光学量子计算的基本单元。作者回顾了单光子源在量子信息科学发展中的作用,讨论了光子的统计特性,分析了具有类似原子二能级结构的半导体量子点作为单光子发射源的特点,介绍了微腔与二能级系统的耦合以及微腔量子电动力学基本原理。在弱耦合区,Purcell效应导致微腔中量子点激子复合寿命降低,因此可用微腔来改善量子点单光子发射效率。文章总结了近年来在半导体微腔增强量子点单光子发射领域的进展,探讨了分布式布拉格反射微腔、柱状微腔和光子晶体微腔等结构对改善半导体量子点单光子发射和收集效率、光子极化以及光子全同性等方面的作用,并对未来半导体量子点单光子源的发展进行了展望。     

单层MoS_2的电调制荧光光谱特性

采用化学气相沉积法在氧化硅衬底上合成大面积、高质量的单层MoS2二维材料,系统表征了材料的光学特性,并制备出高性能的n型场效应晶体管器件.进一步研究了外加电场对其荧光光谱特性的影响.结果表明:在室温条件下,单层MoS2的荧光光谱的最强特征峰由A-(带电激子态)、A(本征激子态)两个发光峰构成,并且二者的特征能量差约为35meV;通过调节底栅电压,测得发光峰随着栅压由负变正表现出明显的峰位红移和强度改变,且两个子峰的强度随栅压变化表现出相反的变化趋势;外加电场能够有效改变沟道中的载流子浓度,进而改变单层MoS2荧光光谱的强度和发光峰形状.为研究二维材料发光特性的物理机制提供了重要依据,此外这种器件的大规模制备为其应用于光电子学器件与系统提供了可能.     

量子点激子超辐射的条件和量子点集合的相干辐射

半导体量子点的激子超辐射出现的条件是本文激子超辐射的理论研究中的重点,我们的理论推导结果揭示要观测到半导体量子点的激子超辐射必须采用短于百飞秒的激发源。我们用ZnO单量子点观察到激子超辐射,同时测量和分析讨论了量子点集合的相干辐射性质,发现单量子点超辐射的二次方泵浦与辐射强度关系被大量量子点间的线性递增所掩盖。     

半导体量子阱中激子波函数及其 Fourier系数的计算和应用

利用准玻色子方法发展的激子动力学方程是研究半导体纳米结构中激子超快动力学的有效理论手段. 为了将这种方法应用于半导体量子阱, 需要知道量子阱中的激子波函数及其在动量空间的表示, 从而得到激子动力学方程中所必须的系数. 详细讨论了理想和实际量子阱中的激子波函数, 特别是其在动量空间的表示, 并进一步讨论了激子动力学方程中所必须系数的计算方法. 通过求解这些系数, 对量子阱中因激子密度变化而引起的太赫兹脉冲作用下激子能级间跃迁过程中的非线性效应进行了理论预测, 得到了与实验符合很好的结果.     

腔场QED与量子点系统激子纠缠态的制备及消纠缠研究

利用量子点与单模腔场共振相互作用模型提出了激子Bell类和W类纠缠态的制备方案.借助于超算符方法和态的保真度考察了所制备的激子纠缠态的消相干特性,结果表明:激子Bell类和W态的纠缠特性非常脆弱,在极短的时间里演变为消纠缠态.基于腔场与两量子点共振相互作用模型设计了一个量子交换门.