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基于应变可调谐量子点的非经典光子源

2020-01-10

在过去的几十年当中,自组织半导体量子点作为单光子源以及纠缠光子源而受到量子光学领域研究人员的广泛关注。研究成果有希望应用于众多量子技术发展,例如量子中继器,量子计算,量子加密以及量子测量等方面,因此具有极高的研究价值。相比于基于非线性光学晶体中自发参量下转换的量子光源,量子点的主要优势在于其按需生成光子的独特性质,允许同时实现真正的高单光子纯度和光源效率。光量子信息的许多应用中要求量子光源同时具有高品质(高亮度,单光子高纯度,高保真度等)和多源间性能完全一致(不可分辨性)。然而正如“没有两片雪花是完全一样的”,利用分子束外延技术生长的半导体量子点同样面临着由于各个量子点本身特征区别所导致的发光性能差异上的挑战,因此成为过去的20多年以来世界众多课题组试图攻克的难题。

德国汉诺威莱布尼兹大学丁飞教授课题组在过去十年间致力通过压电陶瓷施加应力从而优化半导体量子点光源性能。研究取得了一系列重要成果,其中包括:(1)利用在双轴压电陶瓷材料[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.72-[PbTiO3]0.28(简称PMN-PT)施加一定电压下从而产生面内各项同性应力的性质,对包含InGaAs/GaAs量子点的纳米薄膜进行应力拉伸,实现了在5 K低温环境中量子点发光波长的精确调控。实验验证除了电场,磁场,热退火等一系列复杂或者不可逆方法以外的另一种借由应力灵活调控量子点发光性能的可能性;(2)利用含带p-, n-掺杂GaAs层结构的量子点薄膜样品,配合单/双轴PMN-PT所产生的面内单/双轴方向应力,分别实现了在电注入激发下对量子点的能级精细结构劈裂和发光波长的调控。是目前世界上极少数实现电注入量子点纠缠光源的工作之一;(3)结合分子束外延生长与应力对量子点能级结构的影响,与合作者一起验证了轻/重空穴的能带交换以及轻空穴与电子结合产生的激子发光;(4)将压电陶瓷PMN-PT在外加电压下产生面内应力对量子点纳米薄膜实现调控的方法引入到含带量子点的纳米线结构,开辟了应力调节技术在半导体纳米工艺研究的发展空间;(5)借助于利用PMN-PT薄膜制备的片上应力调控MEMS,达到对于量子点能级精细结构劈裂和发射波长的各向异性调控效果。证明了通过应力精准调控可以同时实现光源高保真度和多光源间发射波长不可分辨;(6)在双量子点光源干涉实验中引入应力反馈调控机制,结果进一步证明了可靠的的应力调节技术有希望推动量子点光源应用于未来的量子信息科学。本文总结这些工作,希望为后续的研究提供参考借鉴。

结合目前压电陶瓷应力对于量子点性能的调控技术取得的研究成果,我们认为接下来该技术可以发展的方向主要体现在两个方面,分别是面向实际和在其他材料领域内的应用。在技术面向实际应用的方面,可以继续发展例如应力的阵列结构继而对批量单个量子点或者纳米结构进行调控。在另一方面,应力调节技术也可以作为可行的方法应用于其他材料领域的发展与优化,例如半导体色心,二维材料和高分子等等。

丁飞小组近几年工作的思路/主线以及主要结果总结。创造性地利用外应力场来调制单量子点的光学性质,从而解决量子点单光子源和纠缠光子源的几个主要关键挑战。利用三种不同的应力调节平台,对量子点可以施加双轴应力,单轴应力甚至是平面内可控的各向异性应力。图左的红线示意光子偏振的方向(8字型的长轴指向)以及精细结构的大小(8字型代表比较大的FSS,从而量子点不能发射纠缠光子;O字型代表FSS为零,量子点可以发射偏振纠缠光子对)。丁飞小组开创的量子点应力调节研究方向在近年来得到了同行的高度认可。

Strain tunable quantum dot based non-classical photon sources

Jingzhong Yang, Michael Zopf, Fei Ding

J. Semicond. 2020, 41(1): 011901

doi: 10.1088/1674-4926/41/1/011901

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(来源:半导体学报公众号)



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