[논문 리뷰] All-optical fluorescence blinking control in quantum dots with ultrafast mid-infrared pulses

Jiaojian Shi, Weiwei Sun외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 03.

Semiconductor Quantum Structures and Devices참고 문헌 51인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 초고속 중적외선(MIR) 펄스를 사용하여 콜로이드 양자점에서 광학적 블리킹을 처음으로 완전히 억제하는 것을 보여준다. 150 fs, 5.5 µm MIR 펄스를 최대 전계 strength의 0.6배로 적용함으로써 연구자들은 일시적으로 전하를 띤 트리온 상태를 방전시켜 빛나는 엑시톤 상태로 전환시키며, OFF 상태 지속 시간을 최대 90% 감소시켰다. 이로 인해 화학적 또는 구조적 수정 없이 비침습적이고 결정적인 블리킹 제어가 가능해졌다.

ABSTRACT

Photoluminescence (PL) intermittency is a ubiquitous phenomenon detrimentally reducing the temporal emission intensity stability of single colloidal quantum dots (CQDs) and the emission quantum yield of their ensembles. Despite efforts for blinking reduction via chemical engineering of the QD architecture and its environment, blinking still poses barriers to the application of QDs, particularly in single-particle tracking in biology or in single-photon sources. Here, we demonstrate the first deterministic all-optical suppression of quantum dot blinking using a compound technique of visible and mid-infrared (MIR) excitation. We show that moderate-field ultrafast MIR pulses (5.5 $μ$m, 150 fs) can switch the emission from a charged, low quantum yield 'grey' trion state to the 'bright' exciton state in CdSe/CdS core-shell quantum dots resulting in a significant reduction of the QD intensity flicker. Quantum-tunneling simulations suggest that the MIR fields remove the excess charge from trions with reduced emission quantum yield to restore higher brightness exciton emission. Our approach can be integrated with existing single-particle tracking or super-resolution microscopy techniques without any modification to the sample and translates to other emitters presenting charging-induced PL intermittencies, such as single-photon emissive defects in diamond and two-dimensional materials.

연구 동기 및 목표

• 단일 콜로이드 양자점에서의 광발광 간헐성(블리킹)이라는 지속적인 과제를 해결하기 위해, 이는 단일 광자 소스 및 생물학적 추적에 응용되는 데에 제한을 초래한다.
• 화학 구조나 외부 기판 또는 시약을 변경하지 않고도 비침습적이고 전면 광학적인 방법으로 블리킹을 억제하는 것을 목적으로 한다.
• 초고속 중적외선 펄스가 전하를 띤 트리온 상태를 선택적으로 방전시켜 CdSe/CdS 코어-쉘 양자점에서 빛나는 엑시톤 방출을 복원할 수 있음을 입증한다.
• 기존의 단일 입자 추적 및 초해상도 현미경 기술과의 호환성을 검증하기 위해 샘플의 무결성과 방출 특성을 유지한다.

제안 방법

• 405 nm 연속파(CW) 레이저를 이용한 복합 흥(excitation) 기술과 5.5 µm, 150 fs 초고속 MIR 펄스를 결합하여 전계 유도 전하 조작을 수행하였다.
• 기계식 셔터를 사용하여 MIR 펄스 노출 시간을 제어함으로써 전계 강도와 터널링 펄스 수를 정밀하게 조절하였다.
• 시간에 따라 변화하는 광자 상관관계 및 단일 광자 수광을 통해 블리킹 통계, 방출 수명, 방출 스펙트럼을 측정하여 방출 상태 전이를 평가하였다.
• 핵, 셸, 트랩 영역을 포함한 1차원 단계함수 잠재력 모델을 사용하여 MIR 전계 하에서 전자 동역학을 시뮬레이션하기 위해 양자 터널링 시뮬레이션을 수행하였다.
• 행렬 Numerov 방법을 사용하여 시간에 따라 변화하는 슈뢰딩거 방정식을 풀었으며, sin² 펄스 에너지로 표현된 반고전적 쿨롱 게이지 표현을 적용하였다.
• MIR 전계(1818 cm⁻¹, 0.2254 eV) 하에서 전자 터널링 확률과 상태 인구 동역학을 계산하여 트리온에서 엑시톤 상태로의 전하 이동을 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고속 중적외선 펄스를 사용하여 화학적 또는 구조적 수정 없이 단일 콜로이드 양자점의 광학적 블리킹을 능동적으로 억제할 수 있는가?
• RQ2 MIR 펄스의 적용이 전하를 띤 트리온 상태를 선택적으로 방전시켜 빛나는 엑시톤 방출을 복원하는가?
• RQ3 블리킹 양자점에서 OFF(트리온) 상태에서 ON(엑시톤) 상태로의 전이를 최대화하기 위해 최적의 MIR 전계 강도와 펄스 지속 시간은 무엇인가?
• RQ4 MIR 유도 전하 이동이 OFF 상태에 머무는 시간을 얼마나 줄일 수 있으며, 이는 일변형 분포의 방출 강도 분포로 이어지는가?
• RQ5 이 전면 광학적 방법은 다이아몬드나 2차원 재료의 결함과 같이 충전으로 인한 블리킹을 겪는 다른 발광체에 적용 가능한가?

주요 결과

• 최대 전계 강도(Fmax ≈ 10 MV/cm)의 0.6배로 MIR 펄스를 적용함으로써 OFF 상태에 머무는 시간이 최대 90% 감소하였으며, 이로 인해 방출 강도 히스토그램이 이중분포에서 주로 단일분포의 ON 상태로 이동하였다.
• 이 방법은 저양자수율 '그레이' 트리온 상태에서 고광도 엑시톤 상태로의 결정적인 전환을 달성하였으며, 간섭계 전이나 유전체 파손을 유도하지 않았다.
• 양자 터널링 시뮬레이션은 MIR 전계가 핵에서 셸로 전자를 이동시켜 트리온 상태의 과잉 전하를 중화시키고 엑시톤 방출을 복원하는 데 기여함을 확인하였다.
• 이 기술은 반복적인 MIR 노출 조건에서도 양자점의 고유한 광발광 양자수율과 방출 안정성을 유지하였으며, 광분해 현상은 관찰되지 않았다.
• 이 방법은 샘플 수정이나 외부 환경 변화 없이도 기존의 단일 입자 추적 및 초해상도 현미경 플랫폼과 호환됨을 입증하였다.
• 충전으로 인한 비방출 재결합의 보편성에 기반하여, 다이아몬드의 단일 광자 방출 결함 및 2차원 재료와 같은 다른 발광체로의 이식 가능성도 보였다.