光致發(fā)光（Photoluminescence，PL）是冷發(fā)光的一種，一般是指特定的發(fā)光材料在吸收特定波段的光子后重新發(fā)射出另一波段光子的過程。常規(guī)的熒光都是光致發(fā)光，一些特殊的材料其熒光特性會隨著溫度的變化而產(chǎn)生顯著的變化。
一個穩(wěn)定的且足夠亮的單光子發(fā)射源（Single photon emitter，SPE）是量子信息技術(shù)的重要載體，而許多材料中的原子缺陷可以有效的產(chǎn)生SPE。近期，華東師范大學(xué)武鄂團(tuán)隊(duì)[1]使用加熱速率可達(dá)100℃/s，最高溫度可達(dá)200℃，穩(wěn)定性0.01℃的超精準(zhǔn)可調(diào)節(jié)溫度控制模塊VAHEAT對SPE在AlGaN微柱中的溫度依賴性進(jìn)行了研究。文章針對SPE在不同溫度下的PL光譜、PL強(qiáng)度、輻射壽命等參數(shù)，探究了AlGaN SPE在高溫下線寬加寬的可能機(jī)制，有助于進(jìn)一步研究如何實(shí)現(xiàn)此材料在高溫下工作的芯片上集成應(yīng)用。
作者通過AFM原子力顯微鏡表征了AlGaN微柱在基底上的形態(tài)，圖1左表明微柱的尺寸約為10±1.5 μm，厚度為~300±150 nm，圖1右側(cè)為通過熒光成像系統(tǒng)得到的不同SPE位點(diǎn)的熒光光譜圖。因?yàn)锳lGaN微柱邊緣的橫向生長速率急劇下降，所以SPE基本都位于不同的AlGaN微柱邊緣處。
圖1：左圖：AlGaN微柱的AFM圖像；右圖：四個SPE位點(diǎn)E1，E2，E3和E4的寬場成像（a）二維PL分布圖（b）三維PL分布圖（c）和PL光譜（d）
為了研究溫度對于單光子發(fā)射源的影響，研究者在成像系統(tǒng)中使用超精準(zhǔn)可調(diào)節(jié)溫度控制模塊VAHEAT的智能基底和溫度控制系統(tǒng)對樣品的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，觀測的溫度從303K到373K，每10度為一個區(qū)間，同時進(jìn)行觀測和光譜分析。如圖2a所示，隨著溫度的變化，光譜隨著溫度的升高而略微變寬，而且隨著溫度的升高，中心PL波長顯示出紅移，從303 K 下的878.2 nm紅移至了373K下的880.4 nm，紅移的主要原因是隨著溫度升高，半導(dǎo)體中的晶格參數(shù)的變化。同時熒光的強(qiáng)度也隨溫度升高而降低（圖2b），從圖中可以看到即使在373K的高溫下，依然可以觀察到穩(wěn)定的發(fā)射信號，強(qiáng)度為59.4 kcps，約為303K下強(qiáng)度的38.6%，表明AlGaN微柱上的SPE具有高溫穩(wěn)定性。而且這些SPE的半高峰寬FWHM隨著溫度的增加會線性的變寬(圖2c)，熱聲子與這些單光子發(fā)射源二次相互作用很可能是引起這種線性增寬的原因。
圖2：（a）E4位點(diǎn)在不同溫度下的PL光譜；（b）E4位點(diǎn)的PL強(qiáng)度，以及PL峰值波長與溫度關(guān)系；（c）E4位點(diǎn)的半高峰寬與溫度關(guān)系
為進(jìn)一步比較和確定高溫下AlGaN微柱中的單個缺陷的穩(wěn)定性，作者在不同溫度下對PL強(qiáng)度進(jìn)行了相對長時間的檢測?？偛杉瘯r間為200s，采集頻率為20kHz。從圖3中可以看到單光子發(fā)射源在室溫（303K）和高溫（373K）下都表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，而且在整個測量過程中，并沒有有出現(xiàn)閃爍或漂白現(xiàn)象。
圖3：SPE在不同溫度下的PL強(qiáng)度穩(wěn)定性（a）303K，（b）373K
綜上所述，AlGaN微柱中的單個缺陷在高溫下保持抗聚束光子發(fā)射特性和高穩(wěn)定性，使得AlGaN微柱中的單個缺陷成為開發(fā)在高溫下工作的緊湊、穩(wěn)定和成本效益高的量子器件的潛在選擇。
本文中，SPE在AlGaN微柱中的溫度依賴性研究使用的是超精準(zhǔn)可調(diào)節(jié)溫度控制模塊-VAHEAT，該模塊在長時間(小時到天)和短時間(秒到分鐘)下的溫度穩(wěn)定性可至0.01°C (RMS)，加熱速率可達(dá)100℃/s，溫度可達(dá)200℃，不僅為該實(shí)驗(yàn)提供了快速和精確的溫度控制，同時也保證了*的成像質(zhì)量。
超精準(zhǔn)可調(diào)節(jié)溫度控制模塊-VAHEAT
VAHEAT主要特點(diǎn)：
? 溫度穩(wěn)定性高：0.01℃
? 溫控范圍廣：RT-200℃
? *的成像質(zhì)量
? 快速且可靠，用于油浸物鏡
? 四種加熱模式可根據(jù)用戶需求進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)
VAHEAT典型案例：
VAHEAT部分客戶：
VAHEAT部分發(fā)表文獻(xiàn)：
1. An inkjet-printable fluorescent thermal sensor based on CdSe/ZnS quantum dots immobilised in a silicone matrix. Sensors and Actuators A, 2022.
2. Colloidal black gold with broadband absorption for photothermal conversion and plasmon-assisted crosslinking of thiolated diazonium compound. ChemRxiv, 2022.
3. Mechanistic Insights into the Phase Separation Behavior and Pathway-Directed Information Exchange in all-DNA Droplets. Angewandte Chemie, 2022.
4. Reversible speed control of one-stimulus-double-response, temperature-sensitive asymmetric hydrogel micromotors. Chemical Communications, 2022
5. Progress and Challenges in Archaeal Cell Biology. In: Ferreira-Cerca, S. (eds) Archaea. Methods in Molecular Biology, 2022.
6. Phase-separation antagonists potently inhibit transcription and broadly increase nucleosome density. Journal of Biological Chemistry, 2022
7. A DNA Segregation Module for Synthetic Cells. Small, 2022
8. Precision size and refractive index analysis of weakly scattering nanoparticles in polydispersions. Nature Methods, 2022
9. The Spo13/Meikin pathway confines the onset of gamete differentiation to meiosis II in yeast. EMBO Journal, 2022
10. Microscale Thermophoresis in Liquids Induced by Plasmonic Heating and Characterized by Phase and Fluorescence Microscopies. The Journal of Physical Chemistry C, 2022.
11. A synthetic tubular molecular transport system. Nature Communications, 2021.
12. Deprotection of centromeric cohesin at meiosis II requires APC/C activity but not kinetochore tension. EMBO Journal, 2021.
13. Are bacteria claustrophobic? The problem of micrometric spatial confinement for the culturing of microorganisms. RSC Advances, 2021.
樣機(jī)試用：
為更好地服務(wù)中國科研工作者，Quantum Design 中國引進(jìn)了超精準(zhǔn)可調(diào)節(jié)溫度控制模塊-VAHEAT樣機(jī)，將為大家提供為專業(yè)的售前、銷售、售后技術(shù)支持，歡迎各位老師參觀試用！
參考文獻(xiàn)：
[1] Yingxian Xue , et al. "Temperature-dependent photoluminescence properties of single defects in AlGaN micropillars." Nanotechnology 34.22 (2023): 225201.
更新時間：2023-11-06
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