《Physical Review Letters》发表肖敏教授、王晓勇教授课题组在单纳米晶载...

南京大学物理学院、南京微结构国家实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的肖敏教授、王晓勇教授课题组在单纳米晶载流子倍增效应的研究方面取得重要进展，相关成果以“Carrier Multiplication in a Single Semiconductor Nanocrystal”为题，以南京大学为第一通讯单位发表在2016年3月9日的《物理评论快报》上（Physical Review Letters 116, 106404 (2016)）。该论文的第一作者为南京大学物理学院2011级直博生胡逢睿，第一通讯作者为王晓勇教授，共同通讯作者为Brahim Lounis教授（法国波尔多大学）和肖敏教授。该论文的所有实验工作由物理学院的胡逢睿同学在张春峰副教授、吕碧沪同学和尹春阳同学协助下在南京大学独立完成，法国波尔多大学的Brahim Lounis教授贡献了理论模型对实验结果进行了定量分析。

半导体纳米晶在吸收一个能量大于其两倍带隙的光子时，有可能产生两个以上的电子-空穴对（单激子+高阶激子），这个载流子倍增效应（carrier multiplication – CM）作为一个独特的光电效应不仅引起了学术界在基础研究方面的广泛兴趣，而且会极大地提高光探测和太阳能电池等器件的光电转换效率。由于量子受限效应导致的增强载流子间相互作用，纳米晶中的高阶激子会在纳米时间尺度内通过非荧光发射Auger过程被消耗掉，因此对CM过程所产生的高阶激子只能通过超快光学手段来进行测量。另一方面，在高能光子激发下，纳米晶中的光生载流子容易被缺陷态捕获而产生带电现象，而带电激子和CM产生的高阶激子在目前普遍采用的系综瞬态吸收和荧光测量中会产生类似的Auger衰减信号，这个带电激子伪信号使得学术界在CM效应的存在以及其产生高阶激子的效率评估方面具有极大的争议。

400 nm和266 nm激发下单纳米晶的（a）荧光图像，（b）荧光强度随时间变化，和（c）荧光衰减寿命。

在该项工作中，课题组分别采用波长为400 nm和266 nm的脉冲激光对荧光峰值为655 nm的同一个单CdSe纳米晶进行激发，其中400 nm光子能量为纳米晶带隙的1.64倍作为参考，而266 nm光子能量为纳米晶带隙的2.46倍可触发CM效应。实验过程中，首先得到了两个波长激发下相同样品区域内多个单纳米晶的空间荧光图像（图a），然后隔离开一个单纳米晶对其荧光强度随时间变化进行测量（图b），其中的“明”和“暗”强度分别来自于中性和单电激子的贡献。最后通过时间分辨、时间标签技术只选择对“明”强度光子进行荧光衰减曲线分析，可以完全屏蔽掉来自“暗”强度的带电激子所发射光子，在400 nm激发下得到了来自于单激子荧光复合的单指数衰减曲线，而在266 nm激发下额外观察到一个纳秒尺度的超快衰减信号（图c）。由于400 nm和266 nm的激光功率控制在每个脉冲在单纳米晶中最多产生0.1个激子，从而消除了单个纳米晶同时吸收两个光子的可能性，因此266 nm激发下所得到的超快衰减信号可以明确来自于CM过程产生的高阶激子。通过对大量单纳米晶在266 nm进行激发，对所获得的超快荧光衰减成分进行幅度和寿命分析，得到了光子能量在2.46倍纳米晶带隙时通过CM过程产生双激子的效率为20.2%。

该项工作的重要性在于以下两个方面。第一，通过将聚合物包裹的单纳米晶沉积于金属薄膜上，成功抑制了266 nm激发下的背景荧光，从而将单粒子光谱测量技术首次提高到紫外光激发的范畴，开辟了探索单个分子和纳米结构在该极端激发条件下光电特性的研究方向。第二，在学术界十余年来无一例外研究系综纳米晶CM效应的背景下，将CM的研究工作首次提高到单纳米晶的精度，不仅完全确认了CM效应的存在并且精确评估其高阶激子产生效率，而且揭示了通过单光子激发在单纳米晶中产生纠缠光子对的可行性。

该项研究工作得到了科技部国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金、江苏省“333高层次人才培养工程”和南京大学登峰人才计划B层次的资助。

（物理学院 科学技术处）