上海微系统所在硅基胶体量子点片上发光取得重要进展

PbS胶体量子点(CQDs)由于具有带隙宽、可调谐以及溶液可加工性强等优点，已广泛应用于气体传感、太阳能电池、红外成像、光电探测以及片上光源的集成光子器件中。然而PbS CQDs普遍存在发射效率低和辐射方向性差的问题，因此科学家们尝试利用半导体等离子体纳米晶或全介质纳米谐振腔来增强PbS CQDs的近红外荧光发射，使其成为更高效、更快的量子发射器。但是普遍存在光场限制能力弱，Q值低的问题。
 
　　针对这些问题，近日中国科学院上海微系统与信息技术研究所武爱民研究员团队与浙江大学金毅副教授团队合作在Nanophotonics发表最新文章，将BIC引入到PbS CQDs发光应用中，提出了一种支持对称保护BIC的硅超表面通过激发相邻的高Q泄露导波模式来增强室温下PbS CQDs的自发辐射的方案，实现了硅基量子点近红外片上发光。
 
　　该超表面由亚波长尺寸的硅棒周期性排列而成(图1a)，结构具有各向异性且与偏振相关。其反射率是入射光角度和波长的函数，当TE偏振激发时，对称保护型BIC会出现在布里渊区的Γ点处(图1b)，对应的电场分布如图1c所示。基于洛伦兹拟合方法分别从仿真和实验反射谱中提取出Q值曲线(图1d)，两者趋势一致，且激发的高Q导波模式可以有效的增强量子点的发射。由图1e的实验结果可以看出，制备的超表面使包覆的PbS CQDs的荧光辐射显著增强，并且在波长1408 nm处的发射峰的Q值高达251。随后，研究人员利用实验简单演示了该系统的传感潜力。将稀疏度为4/1000 μm2，直径为60 nm的Au纳米颗粒随机分布在涂敷PbS CQDs的超表面顶部，通过与不含Au纳米颗粒的样品相比，PL峰从1408 nm红移到1410 nm，且强度出现明显的增强(图1f)。该研究成果不仅为实现支持BIC的介电超表面可以有效地增强PbS CQDs的发射性能提供了设计指导与实验验证，并为PbS CQDs在硅基片上光源和集成传感器等各种实际应用提供了新思路。
 
　　研究团队提出的基于BIC超表面增强PbS CQDs近红外发射的新方法，是一种普适、高效、功能广泛的方法。该方法证明了BIC系统在荧光增强方面的有效性，它是提高PbS胶体量子点在光源和荧光传感器等各种应用中的最好选择之一。通过提高制造精度或者合并的BIC可以进一步提高增强效果，并且可以通过改变几何尺寸来调节工作波长。这种无源超表面结构可以在商用CMOS平台上以简单的工艺制造，因此它可以结合到硅光子集成中，用于硅基片上光源以及荧光传感器，在多通道通信，近场传感和红外成像等领域都有广阔的应用前景。
 
　　相关成果以“Fluorescence Enhancement of PbS Colloidal Quantum Dots from Silicon Metasurfaces Sustaining Bound States in the Continuum”为题在线发表在Nanophotonics (https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0195)上。
 
　　这项工作的作者包括 Li Liu, Ruxue Wang, Yuwei Sun, Yi Jin*, Aimin Wu*，其中上海微系统所博士研究生刘丽为该文章的第一作者，浙江大学金毅副教授和上海微系统所武爱民研究员为论文的共同通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划项目(2021YFB2206502)、中科院青促会(2021232)、上海市学术带头人项目(22XD1404300)和国家自然科学基金委(61875174，62275259)的支持。

图1：(a)硅超表面的结构示意图；(b)TE偏振激发时，反射率是入射角和入射波长的函数。在Γ处形成了一个对称保护型BIC，对应波长为1391 nm；(c)对称保护型BIC的Ey电场分布。灰线表示结构边界；(d)与BIC相邻的泄露导波模式在同一能带上的Q值随入射角度的变化。虚线为实验结果，实线为仿真结果。插图为硅超表面的SEM图像；(e)在同一块SOI衬底表面旋涂PbS CQDs，超表面结构区域(黑色曲线)和无结构区域(红色曲线)的实测PL谱。插图为顶部涂敷PbS CQDs的超表面的SEM图像；(f)在超表面结构上引入随机Au纳米颗粒前(红色曲线)和后(黑色曲线)的实测PL谱。插图为表面随机分布Au纳米颗粒的顶部涂敷PbS CQDs的超表面的SEM图像。