华南师范大学信息光电子科技学院兰胜教授课题组在硅基纳米材料发光的研究中取得重要进展。该课题组发现,如果采用飞秒激光激发特征尺寸为200 nm的硅纳米颗粒的磁偶极共振,则硅纳米颗粒可以实现非常有效的白光发射。他们提出了一种测量单个硅纳米颗粒荧光量子效率的实验方法,并且发现相比于体材料硅,硅纳米球的量子效率提升了5个数量级。

硅是常见的半导体材料,广泛应用于电子元器件、探测器、光波导和太阳能电池等领域,由硅基光源、波导、探测器和光开关等微纳光子学器件组成的集成光路被认为是最有希望替代现有集成电路的方案。迄今为止,可集成的硅基光波导、光开关和探测器等均已实现,但能够采用现代硅工艺制备并且可以集成的硅基光源仍未解决,这主要是因为硅是间接带隙半导体,其辐射复合过程需要声子的参与,因此发光效率很低。多年来研究人员一直在寻求提高硅基材料发光效率的方法。尽管多孔硅和硅量子点的发光效率相对于体材料得到了很大的提升,但是它们与现代硅工艺并不兼容,且很难与其他硅基器件进行集成。

本研究从采用飞秒激光烧蚀制备的硅纳米球(silicon nanospheres)拓展到采用电子束曝光和离子刻蚀制备的硅纳米柱(silicon nanopillars),颗粒尺寸覆盖100 ~ 300 nm。首先从理论上分析了增强硅纳米颗粒荧光的内在物理机制,利用电磁偶极共振来增强硅纳米颗粒的多光子吸收,同时利用电磁四极共振来增强荧光发射。由于共振激发电磁偶极可以在硅纳米颗粒中产生很高浓度的载流子,显著增强的俄歇效应大幅延长了载流子的非辐射复合寿命τnr,而电磁四极的存在又减小了载流子的辐射复合寿命τr,二者共同作用导致荧光量子效率(η= 1/(1 + τrnr)) 提升了将近5个数量级。在实验上首次测量了:(1)硅纳米球或纳米柱在飞秒激光激发其电磁偶极共振时可以产生有效的白光发射;(2)单个硅纳米颗粒的荧光寿命约为52 ps;(3)硅纳米球的量子效率约为1.22 %,相比体硅材料(~10-7),提升了5个数量级。这一研究为可兼容可集成的硅基光源的研制开辟了新的思路。


图1硅纳米颗粒发光机制


图2 单个硅纳米球的量子效率测量装置图

该研究成果以Lighting up silicon nanoparticles with Mie resonances为题,发表在Nature子刊Nature Communications [9, 2964 (2018)]上。论文第一单位为华南师范大学,第一作者为广州大学的张成云老师,是兰胜教授的在职博士生,暨南大学徐毅副研究员为共同第一作者,华南师范大学兰胜教授与澳大利亚新南威尔士大学Andrey E. Miroshnichenko为共同通讯作者。中山大学刘进和李俊韬老师、兰胜教授团队的研究生李慧、向进和李锦祥参与了该项研究。兰胜教授课题组近年来一直致力于半导体纳米材料非线性光学性质的研究,取得了多项优秀的研究成果,欲知详情请点击文末兰胜教授课题组介绍链接。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-05394-z

兰胜教授课题组:http://nano.scnu.edu.cn/