硅基膠體量子點片上發光研究新進展

　　PbS膠體量子點（CQDs）由于具有帶隙寬、可調諧及溶液可加工性強等優點，廣泛應用于氣體傳感、太陽能電池、紅外成像、光電探測及片上光源的集成光子器件中。然而，PbS CQDs普遍存在發射效率低和輻射方向性差的問題，因而科學家嘗試利用半導體等離子體納米晶或全介質納米諧振腔來增強PbS CQDs的近紅外熒光發射，使其成為更高效、更快的量子發射器。然而，普遍存在光場限制能力弱、Q值低的問題。

　　近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員武愛民團隊與浙江大學副教授金毅團隊合作，將BIC引入到PbS CQDs發光應用，提出了支持對稱保護BIC的硅超表面通過激發相鄰的高Q泄露導波模式來增強室溫下PbS CQDs的自發輻射的方案，實現了硅基量子點近紅外片上發光。

　　該超表面由亞波長尺寸的硅棒周期性排列而成（圖a），結構具有各向異性且與偏振相關。它的反射率是入射光角度和波長的函數。當TE偏振激發時，對稱保護型BIC會出現在布里淵區的Γ點處（圖b），對應的電場分布如圖c所示。研究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d），兩者趨勢一致，且激發的高Q導波模式可以有效的增強量子點的發射。由圖1e的實驗結果可以看出，制備的超表面使包覆的PbS CQDs的熒光輻射顯著增強，且在波長1408 nm處的發射峰的Q值高達251。進一步，科研人員利用實驗簡單演示了該系統的傳感潛力。該工作將稀疏度為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，且強度出現明顯的增強（圖f）。該研究為實現支持BIC的介電超表面可以有效地增強PbS CQDs的發射性能提供了設計指導與實驗驗證，并為PbS CQDs在硅基片上光源和集成傳感器等各種實際應用提供了新思路。

　　該團隊提出的基于BIC超表面增強PbS CQDs近紅外發射的新方法，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用中的最好選擇之一。通過提高制造精度或者合并的BIC可進一步提高增強效果，并可以通過改變幾何尺寸來調節工作波長。這種無源超表面結構可以在商用CMOS平臺上以簡單的工藝制造，因而它可以結合到硅光子集成中，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域均有廣闊的應用前景。

　　相關研究成果以Fluorescence Enhancement of PbS Colloidal Quantum Dots from Silicon Metasurfaces Sustaining Bound States in the Continuum為題，在線發表在《納米光子學》（Nanophotonics）上。研究工作得到國家重點研發計劃、中國科學院青年創新促進會、上海市學術帶頭人項目和國家自然科學基金的支持。

（a）硅超表面的結構示意圖。（b）TE偏振激發時，反射率是入射角和入射波長的函數。在Γ處形成了一個對稱保護型BIC，對應波長為1391 nm。（c）對稱保護型BIC的Ey電場分布。灰線表示結構邊界。（d）與BIC相鄰的泄露導波模式在同一能帶上的Q值隨入射角度的變化。虛線為實驗結果，實線為仿真結果，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，超表面結構區域（黑色曲線）和無結構區域（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）在超表面結構上引入隨機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。