基于光子晶体的胶体量子点单光子源特性研究

本项目将利用本课题组在单光子源和光子晶体方面的研究基础，在半导体所微加工条件支撑下，将量子点耦合到光子晶体微腔研制高效高速率单光子源。模拟设计光子晶体微腔与单量子点构筑单光子源及其探测的理论模型；研究单光子源材料的制备，采用成熟的胶体化学方法制备的量子点，将低浓度量子点嵌入到介质薄膜中，研究电子束曝光技术制备有序排列的单量子点材料。利用电子束曝光和干法刻蚀工艺制备光子晶体和微腔，重点研究电子束曝光中利用标志对准方法将单量子点精确定位到光子晶体微腔内，从而制备出单量子点和光子晶体微腔结合的单光子源材料。研究单光子探测方法，完善采用脉冲光激发的HBT测试系统，探测并研究量子点发光与光子晶体微腔相互作用，量子点发光的Purcell增强效应，在弱耦合与强耦合下量子点发光的腔量子电动力学过程，重点探测和表征单个胶体量子点的反聚束效应和闪烁现象，实现高效率、高速率、室温下工作的单光子源。

本项目在三年的执行过程中，按照研究计划分别开展了三方面的研究工作，量子点的制备表征及发光器件的研制；光子晶体的制作及其上胶体量子点的带电激子发光特性研究；内嵌介质波导胶体单量子点的荧光闪烁现象及单光子发光特性研究。我们采用湿化学方法摸索了近红外波段发光的胶体量子点的制备工艺，获得了发光波长可由量子点尺寸调节的近红外波段的半导体胶体量子点。制作了胶体量子点的电注入发光器件，为今后研究电注入单光子源打下基础。.我们系统研究了光子晶体对量子点俄歇复合的调控作用，研究了在SiN光子晶体上的胶体量子点在双光子吸收激发下带电激子发光的增强效应。通过研究量子点产生无辐射复合通道，探索单个量子点发光产生闪耀现象的机理。发现带电激子发光的比例受光子晶体调控，即使是保守地估计，一般光子晶体上带电激子发光的比例超过10%，远大于一般在单个胶体量子点的荧光闪烁效应中观察到的暗态的发光强度。研究发现利用光子晶体可以调控带电激子发光和表面复合过程，即可以调控胶体量子点的俄歇复合过程，可调控单个量子点发光的闪烁现象。.我们研制并表征了带量子点的微盘-波导结构，实现了少数几个量子点或单个量子点发光经波导耦合输出。在自主开发的激光直写系统的基础上，我们设计了调控胶体量子点发光的五氧化二钽薄膜夹心层光子微结构，试验并确定了包裹量子点的波导层材料，摸索了微腔-波导耦合结构的曝光和刻蚀条件，优化了微腔图形结构，完成了器件制备，并对器件进行了测试。在垂直泵浦、垂直探测条件下，测量发现处于微腔中的量子点发光得到增强；在垂直泵浦条件下，探测得到处于微腔中的量子点发光经波导耦合输出的光信号，并探测到单个量子点的发光的荧光闪烁现象，测量得到单光子发射特性。以上这些研究工作完成了项目计划的主要研究内容，这些研究结果实现了项目预期的主要研究目标。