金属局域等离激元调控量子点表面态发光的机制研究

Surface-state related emission of semiconductor quantum dots arises from the optical transitions of surface states located in the bandgap. Characterizing and tuning the surface state emission can help understand the mechanism of the surface states. In this project, the high quality II-VI quantum dots and metal nanostructures such as gold and silver will be prepared. Several kinds of quantum dots-metal coupler with plasmon-enhanced surface state emission will be constructed. How localized plasmons in metal enhance surface state emission in quantum dots-metal coupler will be systematically researched and the corresponding exciton-plasmon coupling model will be built. The model can explain the special exciton dynamics in the coupler, including how the localized plasmons influence the energy transfer from band edge excitons to surface state excitons and how localized plasmons suppress the nonradiative recombination. The plasmon-modified exciton dynamics can help research the universal mechanism of exciton-plasmon interaction and the physical role of surface states. The electroluminescence effect based on the color-tunable quantum dots-metal coupler will be studied.

半导体量子点表面态发光源于表面态电子能级关联的辐射跃迁过程，对表面态发光的表征与调制有助于理解量子点表面态相关的物理机制。本项目拟以II-VI族胶体量子点-贵金属（金、银）纳米结构耦合体为主要研究对象，在制备高质量的量子点和金属纳米结构的前提下，以不同结合方式形成发光特性可调的量子点-金属耦合体，通过研究金属局域等离激元增强量子点表面态发光的作用，构建相应的激子-等离激元共振耦合模型，解释金属局域等离激元作用下量子点-金属耦合体中独特的激子动力学过程，包括表面态与金属局域等离激元的共振机制、带边激子与表面态之间的能量转移过程，以及辐射复合和非辐射复合的变化，进而加深理解激子-等离激元相互作用的普遍机制与表面态之于量子点发光的物理角色。探索物理方法调控量子点发光的途径，并研究可调控表面态发光的量子点-金属耦合体的电致发光效应。

我的项目名为"金属局域等离激元调控量子点表面态发光的机制研究"，研究定位是在量子点-金属复合结构中，在光致激发下，金属等离激元如何影响量子点表面态相关的非辐射复合与辐射复合，从而达到调控量子点表面态发光的效果，实现量子点的双发射峰调控。具体的研究路线是构建金属（以银为主）和量子点纳米晶的复合结构，探究其发光特性的改变并找到表面态发光改性的深层机制。在实际的项目执行中发现，当初申请时对项目定位的出发点是不够准确的，量子点缺陷发光的增强和金属的掺杂有关。原本预计研究的局域等离激元增强荧光的物理机制，变成了以掺杂为主的化学机制。基于如上事实，于是临时变动了项目中的研究定位，去探索这种掺杂的内在机制。.对于量子点本身，研究了其表面态和表面原子比例的关系，发现表面富硒的CdSe量子点光激发下因为Se原子的氧化，导致量子点发光显著增强。而小尺寸的量子点表面富Cd，在光激发的条件下，荧光先增强然后迅速减小。.而对于II-VI量子点-银膜体系，一方面，通过实验证实了其中量子点缺陷态发光的改变源自银掺杂，表面等离激元对于这个体系中的荧光增强效果很弱。并探讨了退火对这种掺杂的影响。研究发现，退火操作可以促进掺杂，而量子点表面的元素比例，会影响掺杂的过程。另一方面，通过这种掺杂调控了量子点的发光，实现了量子点在固态状态下的荧光调控，可以用于制作透明量子点薄膜的荧光标签。.基于这种掺杂的前提，对于固态的CdSeS薄膜，通过银膜调控其发光，实现了白色发光。而对于CdS量子点，采用单分散的银纳米颗粒，通过浓度的控制，可以调控带边发光与缺陷发光，实现液相量子点-银纳米颗粒的荧光调控。. 这些研究很多部分目前尚在论文投稿与写作阶段，其科学意义上，一方面展示了一种新的量子点掺杂机制，即固相下因为物理扩散导致的掺杂，另一方面，基于这种掺杂的方法，可以方便对量子点的发光进行调控，也为进一步的物理应用提供了模型材料。