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肖连团教授团队JPCL封面文章：单量子点的双激子动力学

邃瞳科学云

2020-12-13

导读：基于时间分辨的光子统计方法发展了一种精确测量双激子绝对量子产率的方法，定量地研究了单量子点表面俘获和激子带电对双激子动力学的影响。

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第一作者：李斌

通讯作者：张国峰、肖连团教授

通讯单位：山西大学，量子光学与光量子器件国家重点实验室，激光光谱研究所

合作者：张勇教授（University of North Carolina at Charlotte）；彭勇刚、郑雨军教授（山东大学）；钟海政教授（北京理工大学）

论文DOI： 10.1021/acs.jpclett.0c02832

全文速览

基于时间分辨的光子统计方法发展了一种精确测量双激子绝对量子产率的方法，定量地研究了单量子点表面俘获和激子带电对双激子动力学的影响。

背景介绍

研究单量子点的双激子动力学对于基于量子点的光伏装置、发光二极管、激光器及纠缠光子源等器件的应用研究具有重要的意义。胶体量子点是三维受限的纳米半导体颗粒，在激光激发下单量子点可能会一次吸收两个光子形成具有库伦相互作用的两对电子空穴对，即被称为双激子。单量子点的双激子形成概率小、量子产率低和辐射弛豫快，开展单量子点双激子动力学的研究具有极大地挑战性。量子点的表面俘获和激子带电对单激子动力学的影响已经被进行了系统的实验研究，那么我们是否可以开展表面俘获和激子带电对双激子动力学的影响呢？

本文亮点

1)发展了一种测量双激子绝对量子产率的新方法，该方法突破了弱光激发条件的限制；

2)基于该方法定量地测量了量子点带电和量子点表面俘获对双激子动力学的影响。

图文解析

在先前的工作中，人们发展了基于二阶关联函数的方法获得了单、双激子的量子产率的比值，该方法需要在弱光激发的条件下收集单个量子点的发光，且该方法只能在已知单激子量子产率的情况下间接地获取双激子量子产率。为了打破弱光激发的限制，可以定量地获得双激子的绝对量子产率，我们基于时间分辨的光子统计发展了一种直接获取双激子量子产率的新方法：

利用该方法，我们可以获得双激子量子产率随量子点发光强度变化的关系。

图1为量子点带电对双激子动力学的影响。通过对比单量子点发光强度和寿命的关系，得出被测量的单量子点的发光闪烁是源于量子点的带电，蓝色和绿色区域分别代表单量子点处于中性态和带电态。利用上述方法可以分别提取中性态和带电态的双激子量子产率，再结合双激子寿命就可以分别获得中性态和带电态双激子动力学。

Figure 1. Biexciton QYs, radiative and nonradiative rates in a single QD in neutral and charged states. (a) Typical PL trajectory for a single QD with binning time of 10 ms, where the PL blinking originates from the charging and discharging of the QD. (b) Corresponding FLID in color scale. (c) Corresponding charged and neutral biexciton QYs. (d) Corresponding total decay rates, radiative rates and Auger rates of the charged and neutral biexcitons.

图2为统计实验结果和非对称能带结构理论模型。通过统计对比中性态和带电态的双激子动力学，发现实验与非对称能带结构理论符合的很好，这也验证了我们方法的正确性。

Figure 2. Ratios and schematic for both radiative recombination and Auger nonradiative recombination rates of the charged and neutral biexciton states. (a) Statistical distribution of the ratio of radiative rates (kXX^-,r/kXX,r) and of Auger nonradiative rates (kXX^-,A/kXX,A) between charged and neutral biexciton states for ~78 single QDs. The histograms ofkXX^-,r/kXX,r and kXX^-,A/kXX,A with Gaussian fitting are shown along the horizontal (top) and the vertical (right) axes, respectively. (b) Schematic of radiative recombination pathways and Augernonradiative recombination of the charged biexciton state for a CdSe-based QD.

图3为单量子点表面俘获对双激子动力学的影响。通过对比量子点发光强度和寿命的关系，得出被测量的单量子点的发光闪烁是由于量子点表面俘获造成的，表面俘获的活化会为量子点的激子提供额外的非辐射复合通道。分别提取不同单量子点发光强度的双激子量子产率，再结合双激子寿命就可以分别获得不同发光强度对应的双激子动力学。通过拟合可以获取表面俘获对双激子动力学的影响。

Figure 3. Effects of surface traps on biexciton QYs, radiative and nonradiative rates in a single QD. (a) Typical PL trajectory for a single QD with binning time of 10 ms, and the PL blinking originated from the activation and deactivation of surface traps. (b) Corresponding FLID in color scale. (c) Biexciton QY as a function of PL intensity for the PLtrajectory in (a), and a fitted curve (red line). (d) Corresponding total decay rate (kXX), radiative rate (kXX,r) and nonradiative rate (kXX,nr) of the biexciton as a function of PL intensity.

图4为统计实验结果和双激子表面俘获非辐射复合模型。通过统计对比表面俘获对单激子和双激子动力学的影响，建立了双激子表面俘获非辐射复合模型，并对实验现象进行了解释。

Figure 4. Ratios and schematic for both radiative recombination and nonradiative recombination rates. (a) Statistical distributions of α (α=kXX,r/kX,r) and β (β=kXX,nr,trap/kX,nr) plotted for ~72 single QDs. The histograms of α and β with Gaussian fitting are shown along the horizontal (top) and the vertical (right) axes, respectively. (b) Schematic of radiative recombination pathways (red arrows), Auger and surface nonradiative recombination processes for the biexciton state.

总结与展望

该研究工作发展了一种可以在较高的激发条件下直接获得单量子点双激子绝对量子产率的新方法，实现了对单量子点进行强度依赖的双激子动力学的研究。发现量子点表面俘获也能为双激子提供额外的非辐射复合通道。该工作突破了弱光激发限制条件，为量子点多激子动力学的研究提供了普适的新方法。

参考文献

Bin Li et al., Biexciton Dynamics in Single Colloidal CdSe Quantum Dots, Journal of Physical Chemistry Letters, J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 10425−10432，DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c02832

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.0c02832

作者介绍

李斌博士2020年获得山西大学博士学位，于2020年7月进入山西师范大学物理信息工程学院。研究方向为时间分辨单量子点光谱。在Journal of Physical Chemistry Letters, Optics Express等知名国际期刊发表研究结果。

张国峰教授为山西大学激光光谱研究所教授，博士研究生导师。主要研究领域包括单量子点光谱、受限量子体系的激子动力学、单分子时间分辨光谱、电子与能量转移动力、光学探针与荧光成像等。共发表SCI论文60余篇；授权发明专利13项；参与撰写及译论著章节3篇；主持国家自然科学基金4项，教育部基金1项，山西省高等学校创新人才支持计划和留学回国人员科技活动择优资助项目。

肖连团教授为长江学者特聘教授，博士研究生导师，国家百千万人才工程入选者，教育部创新团队带头人。现任山西大学激光光谱研究所所长，量子光学与光量子器件国家重点实验室副主任。主持国家重点研发计划项目、国家高技术研究发展计划(863计划)、973计划前期研究专项、国家自然科学基金等科研项目13项。在国际重要学术期刊Nature Phys., Light: Science & Applications, Phys. Rev. Lett., J. Phys. Chem. Lett., Appl. Phy. Lett., Phys. Rev. A等刊物上发表学术论文120余篇，获国家发明专利15项以及1项美国授权发明专利。获多项奖励，包括山西省自然科学一等奖两项、山西省科技进步二等奖两项，2005年被评为山西省青年学术带头人，2006年入选教育部新世纪优秀人才支持计划，2009年被评为山西省高等学校中青年拔尖创新人才，2012年度教育部长江学者特聘教授。2015年入选国家百千万人才工程并享受国务院特殊津贴。