等离子体增强inas单量子点荧光辐射的研究

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.2(2014)027801等离子体增强InAs单量子点荧光辐射的研究王海艳窦秀明倪海桥牛智川孙宝权y(中国科学院半导体研究所,半导体超晶格国家重点实验室,北京100083)(2013年8月30日收到;2013年10月10日收到修改稿)通过测量光致发光(PL)谱、PL时间分辨光谱及不同激发功率下PL发光强度,研究了低温(5K)下等离子体对InAs单量子点PL光谱的增强效应.采用电子束蒸发镀膜技术在InAs量子点样品表面淀积了5nm厚度的金膜,形成纳米金岛膜结构.实验发现,金岛膜有利于量子点样品发光强度的增加,最大

2、PL强度增加了约5倍,其主要物理机理是金岛膜纳米结构提高了量子点PL光谱的收集效率.关键词:InAs单量子点,金岛膜纳米结构,荧光增强PACS:78.67.Hc,52.25.Os,32.50.+dDOI:10.7498/aps.63.027801膜和银岛膜的表面拉曼增强效应,其增强因子分别为16和19.Pfeiffer等[24]利用金属纳米颗粒与1引言GaAs单量子点之间的耦合研究了金属纳米结构对半导体量子点是一种三维尺寸都受限的量子量子点光致发光(PL)机理的影响.研究发现:当纳结构,这种结构限制了载流子的空间分布和运动,米结构仅与激发光场共振时,量子点荧光寿命保持

3、从而具有一些独特的物理性质,如分立的能级、态不变;当纳米结构与量子点荧光共振时,可提高量密度类似于函数等[1].量子点在单光子发射器件子产率,同时量子点荧光寿命减小.方面具有很好的应用前景.本文利用电子束蒸发镀膜技术在量子点样品金属纳米结构的表面等离子体共振模式拥有表面淀积了5nm厚的金岛膜,在低温(5K)下,分丰富而独特的物理性质,使光场局域在亚波长尺别测量了有无金岛膜的InAs单量子点的PL谱、寸范围内,具有强烈的局域化电磁场增强效应[2].PL时间分辨光谱及不同激发功率下的荧光强度,改变金属的纳米尺寸可以调节表面等离子体的共分析了5nm厚的金岛膜对InAs单

4、量子点荧光增振波长[3;4],已有报道观察到表面等离子激射现强的物理机理.象[5;6].金属纳米结构可以改变光场的辐射方向,形成光场的定向发射[79].因此,金属纳米结构被2实验广泛应用于研究激发光场增强、荧光发射耦合及其与偶极发光间的相互作用,如利用塔姆等离激元量子点样品结构如图1(a)所示,通过分模式[10;11]、纳米颗粒[12;13]、纳米天线[1416]、金属子束外延方法在GaAs衬底上生长了20对膜[17;18]、纳米结构[19]和等离子体共振腔[20;21]等AlGaAs/GaAs组成的分布布拉格反射镜,0:90:1提高量子点的荧光辐射强度、形成荧

5、光定向发射、InAs量子点处于2GaAs腔(腔长为2)的波腹提高荧光收集效率等.同时,金属纳米结构也会减位置.量子点的密度非常低,每平方微米内小于1小荧光的寿命,减弱荧光发光强度或造成荧光的猝个量子点,因此可以通过显微光谱系统分别测量单灭[22].最近,Pavaskar等[23]研究了5nm厚的金岛个量子点.采用电子束蒸发镀膜技术在量子点样品国家自然科学基金(批准号:11074246)资助的课题.†通讯作者.E-mail:bqsun@semi.ac.cn©2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac

6、.cn027801-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.2(2014)027801表面淀积了5nm厚的金膜,并利用扫描电子显微光子雪崩二极管.镜(SEM)观测样品表面的形貌,结果如图1(b)所示.从图1(b)可以看出,5nm厚的金膜呈岛状分3实验结果与分析布,间隙在10nm左右,金岛尺度分布从若干纳米到几十纳米.为了研究金属表面等离子体对InAs单量子点在低温PL光谱实验中,量子点样品置于无发光强度及发光寿命的影响,本文分别测量了有金液氦低温光学恒温器中,温度为5K.激发光源为岛膜和无金岛膜的单量子点样品的荧光光谱、荧光PicoQuant公司生产

7、的LDH型连续或脉冲工作模时间分辨光谱和不同激发功率下量子点的荧光光式的半导体激光器,波长为640nm,脉冲重复频谱.图2(a)和(b)分别是在低温(5K)下测量得到率为80MHz.光谱测量采用共聚焦显微系统,物的有金岛膜和无金岛膜的单量子点的荧光光谱,激镜的数值孔径为0.5,光谱测量由500mm的光谱发功率都是0.2nW.实验结果显示,有金岛膜的量仪和Si-电荷耦合器件探测器完成.单光子时间分子点样品的发光强度远大于无金岛膜的量子点样辨光谱采用单光子时间关联技术,单光子探测器品的发光强度,说明金岛膜对量子点的发光有很大为PerkinElmer公司生产的SPCM