我所揭示量子點低閾值光增益新機制

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　　近日，我所化學動力學研究室光電材料動力學研究組 (1121組) 吳凱豐研究員與朱井義副研究員團隊在膠體量子點超快光物理研究中取得新進展，團隊基于偏振控制的飛秒瞬態吸收光譜，精準地分辨受激輻射和雙激子吸收的光譜特征，在鈣鈦礦量子點體系中觀測到平均激子數小于0.1的光增益現象，并揭示了動態晶格在其中起到的關鍵作用。

　　由于膠體量子點的帶邊躍遷具有多重簡并度，其光增益行為通常發生在多激子區間。然而，量子點的多激子態通常存在著皮秒級別的非輻射俄歇復合過程，限制了光增益的壽命，最終制約了量子點作為增益介質在激光領域的應用。為解決這一難題，前期的文獻研究主要分為兩種思路：一種是通過構建復雜的核殼結構或組分漸變的合金量子點來延長俄歇壽命至納秒級別；另一種是通過調控量子點的電子布居或能級結構來回避對多激子態的需求，比如利用電子預摻雜降低量子點的吸收損耗進而實現近零閾值的光增益，以及在II-型核殼量子點中利用雙激子排斥作用實現單激子光增益。這些策略都各自存在一些問題，阻礙了這些類型的量子點在實際體系的應用。

　　一種降低光增益閾值的根本方法是利用電聲耦合來誘導激子吸收和發射之間產生較大的Stokes位移，從而回避單激子和雙激子吸收帶來的損耗。但是傳統量子點具有剛性的晶格結構和高度重疊的電子—空穴波函數分布，電聲耦合較弱，使得這一機制很難被觀察到。在本工作中，研究團隊發現，得益于鈣鈦礦量子點的柔軟動態晶格結構，它們存在較強的電聲耦合作用，能夠真正在量子點系綜中實現低閾值光增益。

　　研究團隊前期研制了偏振選控的飛秒瞬態吸收光譜，在此基礎上揭示了量子點激子自旋拍頻新機制（Nat. Mater.，2022），以及實現了室溫下的量子點自旋相干操控（Nat. Nanotechnol.， 2023）。在本工作中，團隊基于該譜學方法清晰地在單激子漂白（XB）信號的紅端位置分辨出受激輻射（SE）和單激子態到雙激子態吸收（XXA）信號特征。基于激子偏振特性分析，團隊發現CsPbI₃和CsPbBr₃鈣鈦礦量子點的受激輻射都包含一個高能組分和一個低能組分，即一個較小Stokes位移的帶邊自由激子發射（SE₁）和一個較大Stokes位移的瞬時自陷激子發射（SE₂）。研究發現，當泵浦—探測脈沖光保持相同圓偏振時，雙激子吸收被抑制，這兩種發射的斯托克斯位移都足夠克服非均勻激子線寬，從而實現平均激子數小于0.1的增益閾值；當泵浦—探測脈沖光保持相同線偏振時，雙激子吸收會覆蓋帶邊自由激子的受激輻射（SE₁），但是自陷激子的受激輻射（SE₂）的Stokes位移仍然足以克服雙激子吸收并實現類似的低閾值光增益。該低閾值光增益現象在不同尺寸的CsPbI₃和CsPbBr₃量子點中均能被觀測到。

　　該工作揭示了在膠體量子點中通過電聲耦合作用實現低閾值光增益的新機制，有望為低閾值量子點激光器的發展奠定基礎。

　　該成果以“Sub-Single-Exciton Optical Gain in Lead Halide Perovskite Quantum Dots Revealed by Exciton Polarization Spectroscopy”為題，于近日發表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。上述工作得到國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃、我所創新基金、新基石科學基金會科學探索獎等項目的資助。（文/圖 劉媛）

　　文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c10281