一種基于局域表面等離激元與量子點(diǎn)中激子強(qiáng)耦合的光源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及表面等離激元光子學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于局域表面等離激元與量 子點(diǎn)中激子強(qiáng)耦合的光源。
【背景技術(shù)】
[0002] 表面等離激元（Surface Plasmons, SPs)是金屬介質(zhì)界面自由電子相干振蕩形成 的一種電磁表面波。由于SPs能夠在亞波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)光的傳輸與操控，且能夠在一些特 殊的金屬微納結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生顯著增強(qiáng)的局域光電場，因而它在生物傳感器、表面拉曼散射增 強(qiáng)及光子回路等眾多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。近年來，將貴金屬納米顆粒與半導(dǎo)體納米結(jié) 構(gòu)復(fù)合得到光學(xué)上共振體系由于其具有不同于復(fù)合單體的獨(dú)特優(yōu)異性能引起了研究的熱 潮。金屬納米顆粒的局域表面等離激元引起的局域增強(qiáng)電磁場可以產(chǎn)生一系列的非線性效 應(yīng)，其與半導(dǎo)體量子點(diǎn)中激子耦合可對光吸收、光發(fā)射、納米結(jié)構(gòu)間的能量轉(zhuǎn)移、新極化激 元的產(chǎn)生進(jìn)行調(diào)控，其中新極化激元的產(chǎn)生表明表面等離激元與激子進(jìn)行強(qiáng)相互作用，也 即進(jìn)入了強(qiáng)耦合區(qū)。強(qiáng)耦合的表面等離激元與激子可以可逆地交流能量，其周期在飛秒量 級，這在量子操控光子、單光子光源和晶體管、無閾值激射、超快全光開光和量子信息處理 等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。
[0003] 表面等離激元將電磁場限制于亞波長范圍和局域電磁場強(qiáng)度極大增強(qiáng)的特性，使 在室溫和不需要閉合諧振腔的情況下就可得到強(qiáng)耦合。強(qiáng)耦合時(shí)表面等離激元和激子形成 新的極化激元，在共振頻率可觀察到能級分裂，也即Rabi劈裂。現(xiàn)在大部分的研究集中于 表面等離激元與染料或小分子中激子的強(qiáng)耦合，而與半導(dǎo)體量子點(diǎn)中激子強(qiáng)耦合研究地很 少。半導(dǎo)體量子點(diǎn)相對于染料或小分子具有光電性質(zhì)高度可調(diào)、吸收和熒光截面高、不易發(fā) 生熒光漂白等一系列優(yōu)點(diǎn)，必將成為新一代光電器件的核心材料。
[0004] 另一方面目前表面等離激元與激子強(qiáng)耦合的表征一般是從新極化激元的消光譜 或反射譜中分析Rabi劈裂，而在發(fā)射光譜中報(bào)道較少，特別是在發(fā)射光譜中得到表面等離 激元與量子點(diǎn)中激子強(qiáng)耦合目前還沒有報(bào)道。在發(fā)射光譜中得到Rabi劈裂將提供一種新 的研究強(qiáng)耦合的途徑，而且得到的光源具有更廣闊的應(yīng)用，這將對量子信息處理等領(lǐng)域起 到重要的推動(dòng)作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種基于局域表面等離激元與量子點(diǎn)中激子強(qiáng)耦合的光源，可在室 溫下工作，為可以在發(fā)射光譜中觀察到且隨脈沖激光能量在一定范圍可調(diào)變化的光源。
[0006] -種基于局域表面等離激元與量子點(diǎn)中激子強(qiáng)耦合的光源，包括金屬納米顆粒和 量子點(diǎn)的混合液以及激發(fā)所述混合液的脈沖激光器；
[0007] 所述混合液的制備方法包括以下步驟：
[0008] (1)制備水溶性的金屬納米顆粒；
[0009] (2)將步驟⑴得到金屬納米顆粒進(jìn)行表面改性，以使其溶于油相，將改性后的金 屬納米顆粒分散在溶劑中；
[0010] (3)將半導(dǎo)體量子點(diǎn)加入步驟⑵得到的溶液中混合，得到金屬納米顆粒和量子 點(diǎn)的混合液。
[0011] 本發(fā)明的光源，能夠在室溫下通過實(shí)現(xiàn)局域表面等離激元與量子點(diǎn)中激子強(qiáng)耦合 得到，其原因?yàn)楦叩陌雽?dǎo)體量子點(diǎn)濃度和高的脈沖激光能量補(bǔ)償了金屬納米顆粒自身的損 耗，而且由于半導(dǎo)體量子點(diǎn)和金屬納米顆粒在溶液中距離較小甚至直接接觸，這為實(shí)現(xiàn)強(qiáng) 耦合創(chuàng)造了條件，通過控制脈沖激光的能量的大小可以控制金屬納米顆粒周圍局域電磁場 強(qiáng)度，因而可以調(diào)控耦合強(qiáng)度，調(diào)節(jié)Rabi劈裂的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)得到的發(fā)射光。金屬納米顆 粒還可以直接在油相中合成。
[0012] 本發(fā)明在室溫下通過脈沖激光激發(fā)在發(fā)射光譜中得到Rabi劈裂也即實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)耦 合，且Rabi劈裂能量大小隨激發(fā)能量變化。因此不同于一般量子點(diǎn)激發(fā)得到激子能量處單 一的發(fā)射峰，該非線性效應(yīng)由于形成了新的極化態(tài)可同時(shí)得到上能態(tài)和下能態(tài)的發(fā)光，且 其頻率可通過激發(fā)光調(diào)節(jié)，在量子操控光子、單光子光源和晶體管、無閾值激射、超快全光 開光和量子信息處理等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0013] 為了便于得到本發(fā)明的光源，優(yōu)選的，所述金屬納米顆粒的結(jié)構(gòu)為核殼結(jié)構(gòu)或片 狀。其局域表面等離激元共振峰在可見到近紅外波段可方便的通過改變其核殼結(jié)構(gòu)內(nèi)外徑 或納米片長度厚度的大小和比率調(diào)節(jié)，顆粒周圍局域電場極大增強(qiáng)，上述結(jié)構(gòu)的金屬納米 顆粒在與量子點(diǎn)混合，更容易被脈沖激光激發(fā)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合，即在相對小的脈沖激光能量下 即可以被激發(fā)。述金屬納米顆粒的結(jié)構(gòu)還可以是空心結(jié)構(gòu)、納米棒、納米立方體、納米花等 結(jié)構(gòu)，選擇的依據(jù)是金屬納米結(jié)構(gòu)消光峰與量子點(diǎn)發(fā)射峰重合度較好。
[0014] 為了便于配置混合液，優(yōu)選的，所述金屬納米顆粒為核殼結(jié)構(gòu)的二氧化硅@銀。核 殼結(jié)構(gòu)的金屬納米顆粒還可以采用二氧化娃@金。
[0015] 為了便于配置混合液，優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體量子點(diǎn)采用硒化鎘/硫化鋅量子點(diǎn)。半 導(dǎo)體量子點(diǎn)還可以采用硫硒化鎘/硫化鋅、碲化鎘、磷化銦/硫化鋅等。選擇的關(guān)鍵是金屬 納米顆粒消光峰同量子點(diǎn)的發(fā)射峰重合度較好。
[0016] 本發(fā)明光源在不同波長處的強(qiáng)度與半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)射峰以及金屬納米粒子的 消光峰有關(guān)，而金屬納米粒子如果采用核殼結(jié)構(gòu)，則其消光峰與核殼結(jié)構(gòu)內(nèi)外徑之比有關(guān)， 優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)射峰為550~650nm，所述二氧化娃@銀的核殼結(jié)構(gòu)內(nèi)外徑 之比為16:19~28:31。上述半導(dǎo)體量子點(diǎn)和二氧化硅@銀配成的溶液易被脈沖激發(fā)實(shí)現(xiàn) 強(qiáng)耦合，即激發(fā)的能量閾值較小，可以得到具有兩個(gè)波峰的發(fā)射光。
[0017] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)射峰為565~625nm，所述二氧化娃@銀的 核殼結(jié)構(gòu)內(nèi)外徑之比為7:8~23:26。
[0018] 金屬納米粒子的濃度和半導(dǎo)體量子點(diǎn)的濃度配比也會(huì)影響混合液被激發(fā)所需的 脈沖激光的能量閾值，優(yōu)選的，步驟（3)的混合溶液中二氧化硅@銀的顆粒濃度為IX 10s~ 5X 1011個(gè)/ml，半導(dǎo)體量子點(diǎn)的顆粒濃度為0. 5 μΜ~100 μΜ。上述配比的混合液較易被 激發(fā)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合，得到具有兩個(gè)波峰的發(fā)射光。
[0019] 進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟（3)的混合溶液中二氧化娃@銀的顆粒濃度為5Χ 10s~ 2 X 1011個(gè)/ml，半導(dǎo)體量子點(diǎn)的顆粒濃度為1 μ Μ~50 μ M。
[0020] 為了更易激發(fā)混合液，優(yōu)選的，所述脈沖激光器為納秒脈沖激光器，脈沖寬度在 1~1. 8ns，所述脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光的峰值功率密度的最大值大于17Mff/cm2。隨著 脈沖激光器發(fā)出激光能量的增加，強(qiáng)耦合現(xiàn)象在超過能量閾值后出現(xiàn)。脈沖激光能量密度 =脈沖能量八脈沖寬度X光斑面積）。
[0021] 為了方便配置金屬納米顆粒溶液，優(yōu)選的，將步驟（1)得到金屬納米顆粒進(jìn)行表 面改性，以使其溶于油相，將改性后的金屬納米顆粒分散在溶劑中的具體步驟如下：
[0022] 2-1、將步驟（1)制備的金屬納米顆粒進(jìn)行離心處理；
[0023] 2-2、將步驟2-1得到的沉淀超聲分散于乙醇：油胺的混合溶液中；
[0024] 2-3、將步驟2-2得到混合溶液加熱反應(yīng)，金屬納米顆粒完成表面改性；
[0025] 2-4、將步驟2-3得到的混合溶液離心處理，將離心得到的金屬納米顆粒分散于溶 劑中。
[0026] 二氧化硅@銀與硒化鎘/硫化鋅量子點(diǎn)混合液的具體制備過程如下：
[0027] (1)水相中制備二氧化硅@銀（Si02@Ag)的核殼結(jié)構(gòu)，具體過程如下：
[0028] 制備直徑為200~300nm的二氧化硅納米球，將干燥后的二氧化硅納米球超聲溶 于水中，濃度為〇. 005~0. 015g/ml，加入5~20ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2~5%的SnCl2 ·2Η20(包 含100 μ L濃鹽酸以防止SnCl2的水解）攪拌20~50min得到混合液，為去除混合液中的 二氧化硅表面未吸附的Sn2+，將混合液多次離心并重新分散于3~10ml水中，加入2~8ml 0. 35M的銀銨溶液，加入的過程要不斷超聲，反應(yīng)10~50min。將超聲輔助反應(yīng)得到的溶液 多次離心，分散于5~15ml水中，作為生長二氧化娃@銀核殼結(jié)構(gòu)的種子液。
[0029] 將0. 2~0. 8ml種子液分散于100~300ml的0. 25mM硝酸銀水溶液中，依次加入 0· 5~1. 2g PVP、0. 1~0· 5ml甲醛（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20~50% )和0· 2~0· 6ml銨水（質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為20~40% )，快速攪拌5~20min，得到水相中制備二氧化硅@銀的核殼結(jié)構(gòu)，反應(yīng) 在20~40 °C水浴鍋中進(jìn)行。
[0030] (2)將步驟（1)制備得到的水相中制備二氧化硅@銀的核殼結(jié)構(gòu)以5000轉(zhuǎn)/分鐘 以上的速度離心，棄去上清液，將得到的沉淀超聲分散于乙醇：油胺=〇.