二维硅光子晶体复合结构提高胶体量子点温度传感器的高温灵敏度

Colloidal quantum dot (QD) is of broad application prospects in the micro and nano optical temperature sensors due to its high quantum yield, outstanding photostability. However, the high-temperature fluorescence quenching of colloidal QD will result in very low intensity of fluorescence at high temperature (370-500K), which limits the sensitivity of QD temperature sensor at high temperature. The enhancement of fluorescence can be achieved to some extent by improving the excitation intenstity and increasing the concentration of QDs, but the fluorescence will reach saturation soon in this situation. So, it is necessary to find an external optical coupling structure to improve the fluorescence output from the colloidal QDs. This project proposes to introduce thermally stable two dimensional Si photonic crystal (PC) composite structures into the colloidal QD temperature sensor to increase the light absorption and the fluorescence intensity at high temperature by efficient coupling between the PC modes and the excitation and fluorescence of QD at high temperature in a broad wavelength range. Temperature dependence of the optical absorption efficiency and fluorescence intensity of QD-PC coupling system will be studied, and the high sensitivity colloidal QD temperature sensor based on QD-PC system will be designed at high temperature by tuning and optimizing the geometry parameters of the photonic crystal coupling structure. This project will broaden the application field of the colloidal QD temperature sensors.

胶体量子点由于量子效率高、光稳定性好而在微纳光学温度传感领域具有广阔的应用前景。但胶体量子点荧光的高温淬灭效应使其在高温范围内(370-500K）荧光强度低，因而胶体量子点温度传感器在高温范围的灵敏度受到限制。通过增大激发光强度和量子点浓度，会在一定范围内增强量子点的荧光强度，但是荧光输出很快会达到饱和。因此探索高效的外部光耦合结构来提高胶体量子点的荧光输出强度十分必要。 本项目拟在胶体量子点温度传感器中引入热稳定性好的二维硅光子晶体复合结构，通过光子晶体的光场模式与高温下量子点的激发光和荧光发射在宽波长范围内的高效耦合，提高胶体量子点在高温下的光吸收效率与荧光输出强度；研究量子点-光子晶体耦合系统的光吸收谱与荧光发射谱随温度的变化规律，通过优化结构参数，设计出基于量子点-光子晶体耦合系统的、适合高温测量的高灵敏度胶体量子点温度传感器。本项目的实现有助于拓展胶体量子点温度传感器的应用范围。

胶体量子点（QD）由于量子效率高、光稳定性好而在微纳光学传感领域具有广阔的应用前景。但胶体QD在实际应用中会受到多种因素的影响而导致发光强度低，因而提高胶体QD的发光强度势在必行。通过增大激发光强度和QD浓度，会在一定范围内增强QD的荧光强度，但是荧光输出很快会达到饱和。因此探索高效的外部光耦合结构来提高胶体QD的荧光输出强度十分必要。.本项目探索了多种新颖的光子晶体（PC）复合结构，阐明了胶体QD与PC结构的耦合机制，揭示了PC结构、QD在PC中的位置对耦合效果、光吸收和荧光发射的影响。通过PC光场模式与QD的激发光和荧光发射在宽波长范围内的高效耦合，提高了胶体QD的光吸收效率与荧光输出强度；通过优化结构参数，可以提高基于QD-PC耦合体系的温度/生物传感器的灵敏度，同时也可以提高QD光伏器件和QD发光器件的性能，对进一步理解光与物质的相互作用机理具有重要的意义。主要研究内容如下：（1）首次提出了级联二维PC结构提高双荧光峰胶体QD荧光的发射强度，从而提高了基于双荧光峰QD的温度传感器及各类传感器的灵敏度（《Nanoscale》backcover story）。（2）针对QD温度传感器在生物细胞中的应用，通过对比不同的PC结构和金属结构，首次将荧光增强区域从近场范围拓展到远场范围，从而提高了生物细胞中QD温度传感器的灵敏度。（3）设计了基于硅与金属材料的一维与二维PC复合结构，实现对入射光宽波段、宽角度范围的高效散射和捕获，提高了QD的光吸收效率，阐明了QD-PC耦合结构参数对系统光吸收增强的影响机制（获国际埃尼奖(Eni-Award)提名）。（4）设计了基于SiO2/TiO2及SiO2/Si的多层反射结构，在可调、多波段范围内提高了QD的发射强度，从而可以提高QD温度传感器的灵敏度、QD-LED的亮度等，并且比传统一维PC结构容易实现，成本低。（5）研究了金属纳米球的尺寸与位置分布对提高QD的光吸收与定向发光强度的影响，从而可以为设计高灵敏度QD温度传感器奠定基础。