前言

       半導體量子點(QDs)具有獨特的可調光致發(fā)光特性，可用于固態(tài)照明顯示、光電和生物醫(yī)學成像等重要技術領域。磷化銦(InP)量子點作為一種環(huán)境友好、無毒的替代物，已經(jīng)引起了廣泛的研究興趣。

       完全由 InP 組成的量子點由于在 InP 表面的阱態(tài)發(fā)生非輻射重組而無發(fā)射。為了獲得發(fā)射的量子點，在 InP 芯上涂覆一層高禁帶半導體，如硫化鋅(ZnS)，形成核殼異質結構，使阱態(tài)大大鈍化，增加光致發(fā)光量子產(chǎn)率(圖 1)。為了進一步提高 InP/Zns 量子點的亮度、穩(wěn)定性和顏色范圍， 需要建立組成和光致發(fā)光性質之間的關系。在文中，使用 FS5 熒光光譜儀對新型 InP/ZnS 量子點進行了穩(wěn)態(tài)和時間分辨的測試。

圖 1. InP/ZnS 量子點的核-殼結構和能帶能圖。 

測試方法與樣品 

       制備了 InP/ZnS QDs 甲苯溶液，在 500 nm 處吸光度為 0.15。測試儀器為愛丁堡一體化熒光光譜儀 FS5，能夠進行吸收光譜及光致發(fā)光光譜的測試。配置 SC-05 標準液體支架以及皮秒脈沖激光器 EPL-405，TCSPC 模塊以及 PMT-980 檢測器。

圖 2. FS5 穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀配置 EPL 激光器 

結果與討論 

       使用 FS5 對樣品進行吸收光譜和發(fā)射光譜的測試，如圖 3 所示。FS5 標配標吸收檢測器，可以在同一臺儀器中進行吸收和發(fā)射的測試。結果顯示 InP/Zns 量子點在 620nm 處有明顯的帶邊發(fā)光峰，半高寬為 65nm。除了基帶邊緣峰外，還有一條寬低能峰入近紅外區(qū)。FS5 配置了擴展范圍的光電倍增管探測器（PMT-980），其高靈敏度可至 950nm。PMT-980 的探測范圍比標準 PMT-900 擴展了 80nm，是長帶尾發(fā)射材料的理想選擇。在 InP/Zns 量子點中觀察到寬低能帶， 這表明其陷阱發(fā)射 ¹。

圖 3. InP/ZnS 量子點的吸收光譜(黑色)和光致發(fā)光光譜(紅色)溶液。吸收測試參數(shù): Δλex = 2nm。發(fā)射測試參數(shù): λex = 400 nm, Δλex = 8nm, Δλem = 3 nm。

       為了進一步確定陷阱的存在，利用 FS5 的 TCSPC 功能測量了樣品光致發(fā)光壽命;由于阱發(fā)射和帶邊發(fā)射在不同的時間尺度上發(fā)生。使用皮秒脈沖二極管激光器(EPL-405)作為激發(fā)光源，建立時間分辨的發(fā)射光譜(TRES)，如圖 4 所示。TRES 圖清楚地表明，在較長的發(fā)射波長下，光致發(fā)光壽命顯著增加。

圖 4. 使用 TCSPC 技術測試 InP/ZnS 量子點溶液的時間分辨發(fā)射光譜（TRES）,熒光強度在每 個波長下進行了歸一化。測試參數(shù)： λex= 405 nm, Δλem= 15 nm。 

       為了確定光致發(fā)光壽命，用更高的時間分辨率測試了帶邊發(fā)射峰（620 nm）和尾發(fā)射峰 （775 nm）的衰退曲線，使用 FSS 的 Fluoracle 軟件（圖 5）進行擬合符合四指數(shù)衰減。結果表明，帶邊發(fā)射峰的平均發(fā)光壽命為 31.2ns，而尾發(fā)射峰的平均發(fā)光壽命為 348ns。

圖 5. 使用 TCSPC 技術在 620nm（a）和 775nm（b）處測試的衰減曲線。擬合結果符合 4 指數(shù)衰減 ， 計算強度加權平均壽命 。 實驗參數(shù) ： λ ex=405nm ， λ em=620nm/775nm ， Δ λ em=10nm。 

       尾端衰減具有長數(shù)量級的壽命進一步的證明，由在 InP/Zns 量子點中的俘獲引起的。圖 6 顯示了一種勢能機制，導電帶邊緣的電子被捕獲在帶隙內(nèi)具有能量的 InP 核表面缺陷處。這些被捕獲的電子然后緩慢地與價帶中的空穴重新結合，發(fā)射出比帶邊發(fā)射更長波長的光。陷阱的存在表明 ZnS 殼層可能是不完整的，因此 InP 沒有完全鈍化，合成過程應該調整以沉積更厚的 ZnS 殼層。

圖 6. 在量子點中帶邊發(fā)射和阱發(fā)射的示意圖。 

結論

       利用 FS5 熒光光譜儀對 InP/ZnS 量子點的光物理進行了穩(wěn)態(tài)和時間分辨研究，發(fā)現(xiàn)了由于 ZnS 可能脫殼不完全阱發(fā)射的存在。本文突出展現(xiàn)了 FS5 緊湊型熒光光譜儀在表征新型量子點發(fā)射體的吸光度、發(fā)射和壽命的能力，并有助于建立結構-性能關系。 

參考文獻 

[1] R. Toufanian, A. Piryatinski, A. H. Mahler, R. Iyer, J. A. Hollingsworth & Allison M. Dennis, Bandgap Engineering of Indium Phosphide-Based Core/Shell Heterostructures Through.