近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究室光電材料動(dòng)力學(xué)研究組研究員吳凱豐與副研究員朱井義團(tuán)隊(duì)在膠體量子點(diǎn)超快光物理研究中取得新進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)基于偏振控制的飛秒瞬態(tài)吸收光譜，精準(zhǔn)地分辨受激輻射和雙激子吸收的光譜特征，在鈣鈦礦量子點(diǎn)體系中觀測(cè)到平均激子數(shù)小于0.1的光增益現(xiàn)象，并揭示了動(dòng)態(tài)晶格在其中起到的關(guān)鍵作用。
由于膠體量子點(diǎn)的帶邊躍遷具有多重簡(jiǎn)并度，其光增益行為通常發(fā)生在多激子區(qū)間。然而，量子點(diǎn)的多激子態(tài)通常存在著皮秒級(jí)別的非輻射俄歇復(fù)合過(guò)程，限制了光增益的壽命，最終制約了量子點(diǎn)作為增益介質(zhì)在激光領(lǐng)域的應(yīng)用。為解決這一難題，前期的文獻(xiàn)研究主要分為兩種思路：一種是通過(guò)構(gòu)建復(fù)雜的核殼結(jié)構(gòu)或組分漸變的合金量子點(diǎn)來(lái)延長(zhǎng)俄歇壽命至納秒級(jí)別；另一種是通過(guò)調(diào)控量子點(diǎn)的電子布居或能級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)回避對(duì)多激子態(tài)的需求，比如利用電子預(yù)摻雜降低量子點(diǎn)的吸收損耗進(jìn)而實(shí)現(xiàn)近零閾值的光增益，以及在II-型核殼量子點(diǎn)中利用雙激子排斥作用實(shí)現(xiàn)單激子光增益。這些策略都各自存在一些問(wèn)題，阻礙了這些類型的量子點(diǎn)在實(shí)際體系的應(yīng)用。
大連化物所揭示量子點(diǎn)低閾值光增益新機(jī)制
一種降低光增益閾值的根本方法是利用電聲耦合來(lái)誘導(dǎo)激子吸收和發(fā)射之間產(chǎn)生較大的Stokes位移，從而回避單激子和雙激子吸收帶來(lái)的損耗。但是傳統(tǒng)量子點(diǎn)具有剛性的晶格結(jié)構(gòu)和高度重疊的電子—空穴波函數(shù)分布，電聲耦合較弱，使得這一機(jī)制很難被觀察到。在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，得益于鈣鈦礦量子點(diǎn)的柔軟動(dòng)態(tài)晶格結(jié)構(gòu)，它們存在較強(qiáng)的電聲耦合作用，能夠真正在量子點(diǎn)系綜中實(shí)現(xiàn)低閾值光增益。
研究團(tuán)隊(duì)前期研制了偏振選控的飛秒瞬態(tài)吸收光譜，在此基礎(chǔ)上揭示了量子點(diǎn)激子自旋拍頻新機(jī)制（Nat. Mater.，2022），以及實(shí)現(xiàn)了室溫下的量子點(diǎn)自旋相干操控（Nat. Nanotechnol.， 2023）。在本工作中，團(tuán)隊(duì)基于該譜學(xué)方法清晰地在單激子漂白（XB）信號(hào)的紅端位置分辨出受激輻射（SE）和單激子態(tài)到雙激子態(tài)吸收（XXA）信號(hào)特征?；诩ぷ悠裉匦苑治?，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)CsPbI3和CsPbBr3鈣鈦礦量子點(diǎn)的受激輻射都包含一個(gè)高能組分和一個(gè)低能組分，即一個(gè)較小Stokes位移的帶邊自由激子發(fā)射（SE1）和一個(gè)較大Stokes位移的瞬時(shí)自陷激子發(fā)射（SE2）。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泵浦—探測(cè)脈沖光保持相同圓偏振時(shí)，雙激子吸收被抑制，這兩種發(fā)射的斯托克斯位移都足夠克服非均勻激子線寬，從而實(shí)現(xiàn)平均激子數(shù)小于0.1的增益閾值；當(dāng)泵浦—探測(cè)脈沖光保持相同線偏振時(shí)，雙激子吸收會(huì)覆蓋帶邊自由激子的受激輻射（SE1），但是自陷激子的受激輻射（SE2）的Stokes位移仍然足以克服雙激子吸收并實(shí)現(xiàn)類似的低閾值光增益。該低閾值光增益現(xiàn)象在不同尺寸的CsPbI3和CsPbBr3量子點(diǎn)中均能被觀測(cè)到。
該工作揭示了在膠體量子點(diǎn)中通過(guò)電聲耦合作用實(shí)現(xiàn)低閾值光增益的新機(jī)制，有望為低閾值量子點(diǎn)激光器的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
該成果以“Sub-Single-Exciton Optical Gain in Lead Halide Perovskite Quantum Dots Revealed by Exciton Polarization Spectroscopy”為題，于近日發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）上。上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、大連化物所創(chuàng)新基金、新基石科學(xué)基金會(huì)科學(xué)探索獎(jiǎng)等項(xiàng)目的資助。
