本發(fā)明屬于量子信息領(lǐng)域，具體為一種基于單量子點產(chǎn)生雙光子輻射的方法。通過消除非輻射俄歇復(fù)合的影響，利用單量子點雙激子態(tài)高效產(chǎn)生雙光子輻射。

背景技術(shù)：

量子點是一種將激子受限于三維空間的半導(dǎo)體納米粒子，具有吸收譜線寬、發(fā)射譜線窄以及量子產(chǎn)率高等優(yōu)點，在熒光成像、新型的光電器件和量子信息等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。單量子點同時存在雙激子或多個激子，這種多激子態(tài)在基于量子點的各種光電器件如發(fā)光二極管、光電探測器、太陽能電池以及光子對源等中起著重要的作用。

量子點中的雙激子態(tài)由兩種方式產(chǎn)生，一種方法是當(dāng)量子點同時吸收兩個能量大于或等于量子點帶隙能的光子，另一種方法為吸收一個具有至少兩倍量子點帶隙能的光子。這種來自雙激子態(tài)的雙光子輻射產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對在量子信息和通信方面具有重要應(yīng)用價值。此外，雙激子態(tài)可以改善基于量子點的光電器件的光電轉(zhuǎn)換效率。然而，當(dāng)雙激子態(tài)存在于單個量子點中，由于量子限制效應(yīng)其中的一個激子可通過無輻射俄歇復(fù)合進行衰減，即由雙激子態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閱渭ぷ討B(tài)。另外，在高功率激光的激發(fā)下雖然量子點會產(chǎn)生更多的雙激子或多激子，但是量子點中的激子會極容易發(fā)生俄歇電離使量子點帶電從而阻礙量子點的雙光子輻射。本發(fā)明將給出一種抑制非輻射俄歇復(fù)合從而增強單量子點雙光子輻射的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出的一種基于單量子點產(chǎn)生雙光子輻射的方法，即通過有效地抑制雙激子的非輻射俄歇復(fù)合來實現(xiàn)單量子點的雙光子輻射，可用于量子密鑰分發(fā)、量子糾纏和量子測量等量子信息領(lǐng)域。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種基于單量子點產(chǎn)生雙光子輻射的方法，通過抑制量子點雙激子的非輻射俄歇復(fù)合實現(xiàn)單量子點的雙光子輻射；首先是制備能夠抑制量子點雙激子的非輻射俄歇復(fù)合實現(xiàn)單量子點的雙光子輻射的樣品，包括以下步驟：(a)將熒光發(fā)射中心波長為800nm的近紅外CdSeTe/ZnS核殼量子點利用旋涂法制備在蒸鍍有氧化銦錫薄膜的玻片上，其中氧化銦錫薄膜的厚度為70nm，電阻為70～100歐姆，量子點溶解在光譜純度的甲苯溶劑中，濃度為10^-8～10^-9mol/L，旋涂的轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分，旋涂時間為90s，使單量子點均勻地分散在氧化銦錫薄膜上，每平方微米0.1個量子點，制備有量子點的玻片樣品放置在80℃的真空環(huán)境下120min；(b)在制備有單量子點的玻片樣品上采用旋涂法制備氧化銦錫納米粒子，氧化銦錫納米粒子的尺寸為18nm，該氧化銦錫中三氧化二銦與氧化錫所占質(zhì)量比分別為90％和10％，將質(zhì)量分數(shù)為10％的氧化銦錫納米粒子的水溶液旋涂到量子點之上，旋涂的轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，旋涂時間為120s，使氧化銦錫納米粒子有效地覆蓋在單量子點上，之后將覆蓋有氧化銦錫納米粒子的樣品放置在90℃的真空環(huán)境下120min；(c)在氧化銦錫納米粒子上旋涂質(zhì)量分數(shù)為0.5％聚苯乙烯的氯仿溶液，其中聚苯乙烯的平均分子量為280000，旋涂的轉(zhuǎn)速為4000轉(zhuǎn)/分，旋涂時間為120s，產(chǎn)生厚度為100nm的聚苯乙烯薄膜；(d)將步驟(c)制得的覆蓋有聚苯乙烯薄膜的樣品放置在溫度為110℃的真空環(huán)境下5小時之后自然冷卻到室溫環(huán)境下得到能夠抑制量子點雙激子的非輻射俄歇復(fù)合實現(xiàn)單量子點的雙光子輻射的樣品；對該樣品進行激光共聚焦單量子點產(chǎn)生雙光子熒光輻射。

通過上述樣品的制備方法，可以使單量子點與氧化銦錫進行有效的電子轉(zhuǎn)移，這里所用到的氧化銦錫納米粒子的費米能級高于單量子點的費米能級，不同的費米能級形成電勢差可以產(chǎn)出一個驅(qū)動力，推動氧化銦錫上的電子向量子點上轉(zhuǎn)移，從而使量子點帶負電。帶負電的量子點及氧化銦錫的界面環(huán)境可以有效地增加量子點的介電屏蔽，從而減小量子點內(nèi)部激子的庫侖相互作用，抑制量子點中雙激子的非輻射俄歇復(fù)合。另外，處于激發(fā)態(tài)的量子點容易向氧化銦錫上發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，可以有效地減小單激子熒光的量子產(chǎn)率，從而有效提高單量子點產(chǎn)生雙光子輻射。

實驗測試與表征過程采用步驟(e)：利用激光共聚焦掃描顯微鏡對量子點樣品進行熒光成像，激發(fā)光源為皮秒脈沖激光器，波長為635nm，脈沖的重復(fù)頻率為10MHz，激光通過λ/2玻片、λ/4玻片以及激光擴束器；激光擴束器的出射光路上設(shè)有倒置熒光顯微鏡，所述倒置熒光顯微鏡的入射端口位于激光擴束器的出射光路上，經(jīng)過擴束后的激光通過激發(fā)濾光器進行濾波后由二向色鏡反射進入顯微鏡物鏡；顯微鏡物鏡前端設(shè)有一個用于搭載樣品的三維納米臺；倒置熒光顯微鏡的熒光收集光路上順次設(shè)有一個陷波濾波器、一個發(fā)射濾波器、一個共焦針孔和一個單光子探測器；(f)測量單量子點的熒光強度和熒光壽命，通過統(tǒng)計測量樣品中單量子點的熒光壽命來獲得雙光子的量子產(chǎn)量。利用激光掃描共焦顯微鏡對單量子點樣品進行成像，選擇成像中的單量子點進行定點激發(fā)，收集該單量子點的熒光強度，并利用時間幅度轉(zhuǎn)換儀(TAC,ORTEC)和多通道分析儀(MCA,ORTEC)測量該單量子點的熒光衰減曲線，通過擬合單量子點的熒光衰減曲線獲得量子點的熒光壽命。(g)通過二階關(guān)聯(lián)函數(shù)測量單量子點的光學(xué)統(tǒng)計特性，對單量子點的雙光子輻射進行表征。將單量子點的熒光通過50/50的分束棱鏡進入到兩個單光子探測器中，兩個單光子探測器分別連接到TAC的start和stop端口，通過調(diào)節(jié)延時測量單量子點的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)，通過二階關(guān)聯(lián)函數(shù)來確定單量子點的雙光子輻射特性。

本發(fā)明通過采用特定的制備方法制備出能夠產(chǎn)生高效雙光子輻射的單量子點樣品。

附圖說明

圖1為實現(xiàn)本發(fā)明所述方法的實驗樣品制備示意圖。

圖2為氧化銦錫中單量子點的熒光成像。

圖3為玻片表面上的單量子點的熒光強度軌跡及強度統(tǒng)計分布柱狀圖。

圖4為氧化銦錫中單量子點的熒光強度軌跡及強度統(tǒng)計分布柱狀圖。

圖5為玻片表面的單量子點的熒光衰減曲線及雙指數(shù)函數(shù)的擬合。

圖6為氧化銦錫中單量子點的熒光衰減曲線及雙指數(shù)函數(shù)的擬合(IRF為系統(tǒng)的儀器響應(yīng)函數(shù))。

圖7為玻片表面上的單量子點的單激子的壽命值τ₁、雙激子的壽命值τ₂與其對應(yīng)的權(quán)重分布。

圖8為氧化銦錫中單量子點的單激子的壽命值τ₁、雙激子的壽命值τ₂與其對應(yīng)的權(quán)重分布。

圖9為玻片表面和氧化銦錫中的單量子點的雙光子輻射的量子產(chǎn)率的柱狀統(tǒng)計圖。

圖10為玻片表面的單量子點的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線；圖11為氧化銦錫中單量子點的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線。

圖12為單量子點樣品制備與實驗測量流程圖。

具體實施方式

一種基于單量子點產(chǎn)生雙光子輻射的方法，通過抑制量子點雙激子的非輻射俄歇復(fù)合實現(xiàn)單量子點的雙光子輻射；首先是制備能夠抑制量子點雙激子的非輻射俄歇復(fù)合實現(xiàn)單量子點的雙光子輻射的樣品，包括以下步驟：(a)將熒光發(fā)射中心波長為800nm的近紅外CdSeTe/ZnS核殼量子點利用旋涂法制備在蒸鍍有氧化銦錫薄膜的玻片上，其中氧化銦錫薄膜的厚度為70nm，電阻為70～100歐姆，量子點溶解在光譜純度的甲苯溶劑中，濃度為10^-8～10^-9mol/L，旋涂的轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分，旋涂時間為90s，使單量子點均勻地分散在氧化銦錫薄膜上，每平方微米0.1個量子點，制備有量子點的玻片樣品放置在80℃的真空環(huán)境下120min；(b)在制備有單量子點的玻片樣品上采用旋涂法制備氧化銦錫納米粒子，氧化銦錫納米粒子的尺寸為18nm，該氧化銦錫中三氧化二銦與氧化錫所占質(zhì)量比分別為90％和10％，將質(zhì)量分數(shù)為10％的氧化銦錫納米粒子的水溶液旋涂到量子點之上，旋涂的轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，旋涂時間為120s，使氧化銦錫納米粒子有效地覆蓋在單量子點上，之后將覆蓋有氧化銦錫納米粒子的樣品放置在90℃的真空環(huán)境下120min；(c)在氧化銦錫納米粒子上旋涂質(zhì)量分數(shù)為0.5％聚苯乙烯的氯仿溶液，其中聚苯乙烯的平均分子量為280000，旋涂的轉(zhuǎn)速為4000轉(zhuǎn)/分，旋涂時間為120s，產(chǎn)生厚度為100nm的聚苯乙烯薄膜；(d)將步驟(c)制得的覆蓋有聚苯乙烯薄膜的樣品放置在溫度為110℃的真空環(huán)境下5小時之后自然冷卻到室溫環(huán)境下得到能夠抑制量子點雙激子的非輻射俄歇復(fù)合實現(xiàn)單量子點的雙光子輻射的樣品；對該樣品進行激光共聚焦單量子點產(chǎn)生雙光子熒光輻射。

本發(fā)明的實驗樣品的檢驗和測量可通過多種公知的儀器實現(xiàn)，具體采用的儀器有：倒置熒光顯微鏡(NIKON，TE2000-E)，皮秒脈沖激光器(PDL-800)，三維納米臺(Tritor 200/20SG)，單光子探測器(SPCM-15)，時間幅度轉(zhuǎn)換儀(TAC，ORTEC)和多通道分析儀(MCA，ORTEC)，信號發(fā)生器(Agilent，33250A型)，NI 6251數(shù)據(jù)采集板卡等。軟件程序方面有多通道分析儀軟件、自編的LabVIEW和MATLAB數(shù)據(jù)采集和分析程序等。本發(fā)明專利所用旋涂儀的型號為：WS-400Bz-6NPP-Lite。

包括以下步驟：(e)利用激光共聚焦掃描顯微鏡對量子點樣品進行熒光成像，激發(fā)光源為皮秒脈沖激光器，波長為635nm，脈沖的重復(fù)頻率為10MHz，激光通過λ/2玻片、λ/4玻片以及擴束器，并通過激發(fā)濾光器進行濾波后由二向色鏡反射進入顯微鏡物鏡；顯微鏡物鏡前端設(shè)有一個用于搭載樣品的三維納米臺；倒置熒光顯微鏡的熒光收集光路上順次設(shè)有陷波濾波器、發(fā)射濾波器、共焦針孔和單光子探測器；(f)測量單量子點的熒光強度和熒光壽命，通過統(tǒng)計測量樣品中單量子點的熒光壽命來獲得雙光子的量子產(chǎn)量。利用激光掃描共焦顯微鏡對單量子點樣品進行成像，選擇成像中的單量子點進行定點激發(fā)，收集該單量子點的熒光強度，并利用TAC和MCA測量該單量子點的熒光衰減曲線，通過擬合單量子點的熒光衰減曲線獲得單量子點的熒光壽命，并由此推算量子點產(chǎn)生雙光子的量子產(chǎn)率。(g)通過二階關(guān)聯(lián)函數(shù)測量單量子點的光學(xué)統(tǒng)計特性，對單量子點的雙光子輻射進行表征。將單量子點的熒光通過50/50的分束棱鏡進入到兩個單光子探測器中，兩個單光子探測器分別連接到TAC的start和stop端口，通過調(diào)節(jié)start和stop的輸入延時來測量單量子點的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)，通過二階關(guān)聯(lián)函數(shù)來判別單量子點的雙光子輻射特性。

本發(fā)明所述的一種基于單量子點產(chǎn)生雙光子輻射的方法，實驗樣品如圖1所示，從圖1中可以看到整個實驗樣品由五個部分組成的，分別為玻片、氧化銦錫薄膜、CdSeTe/ZnS單量子點、氧化銦錫納米粒子和聚苯乙烯薄膜。

圖2所示為，實驗樣品的共聚焦熒光成像，圖中標尺的尺寸為4μm，成像面積為18μm×18μm，各白色圓圈內(nèi)為單個量子點的熒光成像，成像的差異性指示著單量子點熒光輻射的異構(gòu)性。

為驗證本發(fā)明所示方法的有效性，本發(fā)明所制備的樣品將與直接制備在玻片表面上的單量子點樣品進行比較。

圖3和圖4分別為玻片表面和氧化銦錫中單量子點的熒光強度軌跡及強度分布柱狀圖，從圖中可以看到玻片表面上的單量子點的熒光強度具有非常強烈的波動，這種強烈的熒光波動為單量子點的熒光閃爍，強度分布柱狀圖顯示了單量子點的熒光輻射主要處于暗態(tài)。而氧化銦錫中的單量子點的熒光閃爍顯著減小并且其暗態(tài)的持續(xù)時間也明顯較小，強度分布柱狀圖顯示量子點的熒光主要處于亮態(tài)。

圖5和圖6分別為玻片表面和氧化銦錫中典型的單量子點的熒光衰減曲線及雙指數(shù)函數(shù)的擬合，IRF為系統(tǒng)的儀器響應(yīng)函數(shù)其半高全寬(FWHM)約為750ps。我們利用MATLAB程序?qū)瘟孔狱c熒光輻射衰減曲線進行反卷積和雙指數(shù)函數(shù)擬合。

玻片表面和氧化銦錫中單量子點的熒光輻射衰減曲線都可以用雙指數(shù)函數(shù)進行擬合，其中τ₁和τ₂為兩個壽命值，A₁和A₂為相應(yīng)的壽命值的振幅，兩個壽命值所占的振幅權(quán)重為玻片表面上的單量子點的壽命擬合參數(shù)為τ₁＝29.8ns，w₁＝82.3％，τ₂＝0.85ns，w₂＝17.7％；氧化銦錫中的單量子點的壽命擬合參數(shù)為τ₁＝10.1s，w₁＝81.5％，τ₂＝0.12ns，w₂＝18.5％。其中玻片表面和氧化銦錫中的單量子點熒光的相對較大的壽命值(τ₁)為29.8ns和10.1ns源于單量子點的單激子輻射壽命。這里，較小的壽命值(τ₂)為0.86ns和0.12ns即為單量子點的雙激子態(tài)的輻射壽命，雙激子態(tài)的可以產(chǎn)生雙光子輻射。

圖7和圖8分別為玻片表面和氧化銦錫中單量子點的單激子態(tài)的壽命值τ₁、雙激子態(tài)的壽命值τ₂與其對應(yīng)的權(quán)重分布，可以發(fā)現(xiàn)單量子點所處的納米局部環(huán)境不同會導(dǎo)致不同的壽命分布方式。

圖9為玻片表面和氧化銦錫中的單量子點的雙光子輻射的量子產(chǎn)率的柱狀統(tǒng)計圖。雙光子輻射的量子產(chǎn)率可以通過公式進行計算，其中η_BX、和k_ET分別表示雙激子輻射的量子產(chǎn)量、雙激子態(tài)的輻射衰減率、非輻射俄歇復(fù)合率和非輻射能量轉(zhuǎn)移率。這些參數(shù)可以通過單量子點的熒光強度(圖3、圖4)、熒光壽命(圖7、圖8)、量子產(chǎn)率等進行估算來獲得。對圖9中兩個柱狀圖的進行高斯函數(shù)擬合可以得到玻片表面單量子點的雙光子輻射的量子產(chǎn)率為0.53，氧化銦錫中的單量子點的雙光子輻射的量子產(chǎn)率為0.76。

圖10和圖11分別為玻片表面和氧化銦錫中單量子點的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)。通過計算二階關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線中心峰和邊峰所對應(yīng)的區(qū)域面積之比可以獲得二階關(guān)聯(lián)函數(shù)的g⁽²⁾(0)值，g⁽²⁾(0)值越大表示產(chǎn)生的雙光子越多。玻片表面單量子點的g⁽²⁾(0)為0.3，氧化銦錫中單量子點的g⁽²⁾(0)為0.7，說明氧化銦錫中單量子點可以產(chǎn)生較大比例的雙光子。

圖12為單量子點樣品制備與實驗測量流程圖。