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張成云博士等在Nature Communications上發表硅納米顆粒熒光的研究論文
2018-09-08 02:14 澳門新葡亰游戲8522網站  審核人:

 

張成云博士等在Nature Communications上發表硅納米顆粒熒光的研究論文

 

近日,我院超快光學(飛秒)實驗室教師張成云博士以第一作者在國際著名期刊Nature Communications(自然通訊)發表題為“Lighting up silicon nanoparticles with Mie resonances”的研究論文。該研究成果是張成云博士在華南師范大學蘭勝教授(通訊作者)團隊讀在職博士期間,與暨南大學徐毅副研究員(共同第一作者)、中山大學劉進、李俊韜以及澳大利亞新南威爾士大學的Andrey E. Miroshnichenko(共同通訊作者)等人合作完成的,蘭勝教授團隊的研究生李慧、向進和李錦祥參與了研究。

 

       

 

硅是常見的半導體材料,廣泛應用于電子元器件、探測器、光波導和太陽能電池等領域,由硅基光源,波導,探測器和光開關等微納光子學器件組成的集成光路被認為是替代現有集成電路最具潛力的方案。迄今為止,可集成的硅基光波導,光開光和探測器等均已實現,但能夠采用現代硅工藝制備并且可以集成的硅基光源仍未解決,主要因為硅是間接帶隙半導體,其輻射復合過程需要聲子的參與,因此發光效率很低。多年來研究人員一直在尋求提高硅基材料發光效率的方法。盡管多孔硅和硅量子點的發光效率相對于體材料得到了很大的提升,但是它們與現代硅工藝并不兼容,且很難與其他硅基器件進行集成。

該研究從采用飛秒激光燒蝕制備的硅納米球silicon nanospheres拓展到采用電子束曝光和離子刻蝕制備的硅納米柱silicon nanopillars,顆粒尺寸覆蓋100 – 300 nm。該研究首先從理論上分析了增強硅納米顆粒熒光的內在物理機制,利用電磁偶極共振來增強硅納米顆粒的多光子吸收同時利用電磁四極共振來增強熒光發射(圖1)。由于共振激發電磁偶可以在硅納米顆粒中產生很高濃度

 

       

 

1硅納米顆粒發光機制

的載流子,顯著增強的俄歇效應大幅延長了載流子的非輻射復合壽命,而電磁四極的存在又減小了載流子的輻射復合壽命,二者共同作用導致熒光量子效率提升了將近5個數量級。在實驗上首次測量了:(1)硅納米球或納米柱在飛秒激光激發其電磁偶極共振時可以產生有效的白光發射;(2)單個硅納米顆粒的熒光壽命約為52 ps;(3)硅納米球的量子效率約為1.22%,相比體硅材料提升了5個數量級(圖2)。這一研究為可兼容可集成的硅基光源的研制開辟了新的思路。

 

       

2 單個硅納米球的量子效率測量裝置圖

 

Nature Communications》是國際著名雜志《Nature》的子刊,主要刊登自然科學領域最新的科研進展,由英國Nature Publishing Group在線出版,2018年最新發布的影響因子為12.353

論文鏈接:http://www.nature.com/articles/s41467-018-05394-z

 

 

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