量子点中的双激子发光

量子点是尺寸2-100nm的纳米半导体晶体。由于尺寸效应，量子点可以束缚电子、空穴形成激子，进而实现高效发光，在显示、激光、荧光成像等领域具有广泛应用。在高密度光激发下，量子点可表现出双激子发光特性，为极化纠缠光源和激光提拱了潜在方案。然而，受俄歇复合的影响，如何提高量子点的双激子发光效率是一个极具挑战的课题。

前人研究发现，量子点的俄歇复合寿命随体积增加呈线性递增规律（Linear Scaling），如图1所示。这意味着增大量子点的体积（直径1 nm-10 nm）能够降低俄歇复合（寿命1 ps-1000 ps）。然而，传统的II-VI族量子点一般采用核壳结构，大尺寸高效发光量子点的合成非常困难。

在本工作中，北京理工大学的钟海政教授及其合作者利用卤素钙钛矿量子点（CsPbBr?）高缺陷容忍度的特点，制备了具有高效双激子发光特性的大尺寸CsPbBr?纳米晶（直径>20 nm），不仅实现了量子点双激子发光的大尺寸、高效率突破，更重要的是，作者发现，大尺寸钙钛矿纳米晶的俄歇寿命在突破一定体积后呈现出异于过往报道的特殊非线性递增规律，使得双激子寿命可达6.3 ns，双激子效率高达80%。进一步研究发现，该特殊非线性递增规律是由于大尺寸纳米晶中的非局域效应引起。该工作为量子点的双激子发光提供了新的物理机制。

图1：小尺寸量子点中双激子寿命随体积增加呈线性递增。图源：Chemical Reviews 2021,121,2325-2372。https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00931

大尺寸纳米晶改变俄歇复合的线性增加规律

自2015年，瑞士联邦理工学院Maksym V. Kovalenko教授和北京理工大学钟海政教授分别报道了高效率发光的钙钛矿量子点以来，钙钛矿量子点的研究发展十分迅速，在学术界和产业界都得到了广泛的关注，在液晶显示的应用进入了产业化阶段。

近日，北京理工大学钟海政教授、张用友副教授以及浙江大学秦海燕研究员合作取得了新进展，他们合成了高质量的大尺寸CsPbBr?纳米晶（直径>20 nm），通过不同功率的皮秒激光激发，研究了CsPbBr?纳米晶中双激子发光的特性，发现CsPbBr?纳米晶的双激子发光效率和寿命都随尺寸大幅增加，双激子效率高达80%，双激子寿命达到6.3 ns。此外，研究者还发现大尺寸钙钛矿纳米晶的俄歇寿命随体积呈现出特殊的非线性递增规律（Nonlinear Scaling）。

该工作以“Nonlocal interaction enhanced biexciton emission in large CsPbBr? nanocrystals”为题发表在卓越计划高起点新刊eLight。论文的第一作者是北京理工大学的博士生黄鹏同学，北京理工大学的孙世佩同学、浙江大学的雷海瑞博士参与了研究。

为解释这一现象，研究团队考虑了双激子发光的非局域效应影响，理论模拟了尺寸对激子复合过程的影响。如图2左侧所示，在小尺寸强限域量子点中，由于量子点尺寸远小于激子波长，激子波函数被强烈限域，激子和载流子的相互作用是局域的。相反，在大尺寸弱限域纳米晶中，激子波函数在纳米晶中会呈现空间依赖的振荡行为(e^ik·r)，如图2右侧所示。同时，俄歇复合是由于激子和第三个载流子之间的相互作用。因此，大尺寸纳米晶中的俄歇复合需要考虑激子波函数的空间振荡行为的影响，即非局域相互作用（nonlocal interaction）。从俄歇寿命的角度来说，大尺寸纳米晶中的非局域相互作用会使得俄歇寿命随体积增加而指数增加。这种非局域效应是大尺寸钙钛矿纳米晶实现高效双激子发光的主要原因。

图2：激子-载流子非局域相互作用导致俄歇寿命在大尺寸纳米晶中随体积变化呈现非线性递增（虚线箭头），偏离小尺寸情况下的线性递增行为（实线箭头）。图中左右圆圈分别代表小尺寸和大尺寸时的纳米晶，红色曲线示意激子波函数。

总结

本研究发现了大尺寸钙钛矿纳米晶中的非局域效应，该效应也能有效抑制俄歇复合，实现高效双激子发光，为研究大尺寸纳米晶光与物质相互作用提供了新的物理模型，有望推动量子光源、激光和显示等领域的发展。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s43593-023-00045-3