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南京大学物理学院王晓勇、肖敏课题组在钙钛矿纳米晶的共振激发和激子与声学声子耦合特性研究方面取得重要进展

2021-04-25

 

南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的王晓勇教授、肖敏教授课题组在实现单个钙钛矿纳米晶的共振激发以及揭示激子和声学声子耦合作用特性的研究方面取得重要进展,相关成果以"Exciton-Acoustic Phonon Coupling Revealed by Resonant Excitation of Single Perovskite Nanocrystals"为题,以南京大学为第一作者单位和第一通讯单位发表在2021年4月13日的《自然-通讯》上(Nature Commun. 2021, 12, 2192;https://www.nature.com/articles/s41467-021-22486-5 )。该论文的共同第一作者为南京大学物理学院的博士生吕焱和尹春阳,共同通讯作者为南京大学的王晓勇教授、美国华盛顿州立大学的Zhi-Gang Yu教授和南京大学的肖敏教授,南京大学的张春峰教授也对该论文工作提供了重要的支持。

半导体钙钛矿纳米晶材料在近年来得到了学术界的广泛关注,在低温单粒子尺度展现出高纯度的单光子发射、受抑制的荧光闪烁和稳定的精细能级结构等优异光学特性。在上述工作中,激光在吸收态产生的激子弛豫到发射态进行复合发光,这种非共振激发会造成荧光谱线的漂移展宽和荧光光子的时间抖动,从而阻碍了单个钙钛矿纳米晶在相干光学特性研究方面的进一步发展。在本项工作中,课题组通过在激光激发光路和信号收集光路放置透射轴相互垂直的线偏振片,并采用四分之一波片消除光路元件的双折射效应,在激光能量与发射态能量相同的情况下成功收集到单个钙钛矿纳米晶在3 K低温下的共振荧光。如图1(a)的时间依赖光谱图像所示,单个钙钛矿CsPbI3纳米晶在1.96 eV 单一波长He-Ne激光器激发下产生与精细能级结构相关的激子双峰发射。在图1(b)的光谱图像中,可调谐半导体激光器的激发能量在1.7175 eV到1.7195 eV范围内随时间进行精细扫描,在与任一激子发射能级共振时可观察到来自后者的高信噪比荧光信号,其强度可达到探测器所收集激光散射信号的10倍以上。

图1 (a) He-Ne激光器1.96 eV激发下单个CsPbI3纳米晶激子发射双峰的能量位置和荧光强度随时间的稳定演化图像。 (b) 半导体激光器在1.7175-1.7195 eV范围内进行精细扫描时,该纳米晶激子发射双峰(X)的荧光强度随时间演化图像。

在成功抑制了散射的激光背景信号后,课题组可以在其中一个激子发射峰附近进行小范围的激光激发能量扫描并监测相应的荧光强度变化。如同2(a)所示,由此得到了线宽为~11.32 μeV(~0.005 nm)的超窄荧光激发光谱,对应于发射态激子大于~116.29 ps的退相干时间。另外在红失谐250 μeV到蓝失谐350 μeV的大范围内,激光能量都可以对激子发射峰进行有效激发,从而揭示出连续声学声子模式的存在。如图2(b)所示,单个纳米晶在红失谐激发时通过吸收声学声子在发射态产生上转换激子,蓝失谐激发时通过发射声学声子在发射态产生下转换激子,后者与前者相比具有更高的激发效率。如图2(c)所示,当激光激发能量与激子发射态严格共振时,课题组在共振荧光峰的低能和高能端分辨出能量为~150 μeV的分立声学声子模式,并观察到声子辅助下激子在不同发射态之间的跃迁过程。通过理论建模计算,课题组认为纳米晶中的激子通过较强的压电势与分立的横向声学声子模式进行耦合,而通过较弱的压电势或形变势与连续的纵向声学声子模式进行耦合。

图2 (a) 激光能量在小范围内扫描对单个CsPbI3纳米晶的激子发射态进行激发,得到半宽为~11.32 μeV的荧光激发光谱。(b) 激光能量在大范围内扫描对单个CsPbI3纳米晶的激子发射态进行激发,可以在其荧光激发光谱的低能端和高能端观察到连续分布的声学声子模式。 (c) 激光能量与单个CsPbI3纳米晶的高能激子发射态共振时,可以在其荧光光谱(绿色)的低能端和高能端分辨出能量为~150 μeV的分立声学声子模式(橙色),以及声子辅助下激子跃迁到低能发射态所产生的荧光峰(红色)。

综上所述,课题组实现了对单个钙钛矿纳米晶的共振激发,并揭示出激子与声学声子的耦合作用特性,该项工作的重要性主要存在于以下两个方面。首先,课题组首次将共振激发技术应用到单个钙钛矿纳米晶的光学特性研究中,测量得到迄今为止最窄的~11.32 μeV荧光谱线宽度,从而为下一步在可见光波段实现不可区分性单光子发射奠定了坚实的实验基础。其次,课题组首次在单个钙钛矿纳米晶中揭示出声学声子模式的存在并标定了其能量范围,为理解发射态激子的荧光谱线展宽和能级之间跃迁机制,以及载流子在该类材料中的输运过程提供了关键的指导信息。

该项研究工作得到了科技部国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

(来源:南京大学物理学院

 



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