[論文レビュー] All-optical fluorescence blinking control in quantum dots with ultrafast mid-infrared pulses

Jiaojian Shi, Weiwei Sun+8 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2021

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 51被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、超短パルス中赤外線（MIR）を用いて、コロイダル量子ドットにおける蛍光点滅の最初の全光的抑制を実証した。150 fs、5.5 µm の MIR パルスを最大電場強度の 0.6 倍で印加することで、一時的に帯電したトリオン状態を放電させ、明るい励起子状態に切り替え、OFF 状態の持続時間を最大 90% 減少させた。これにより、化学的・構造的改変を伴わず、非侵襲的かつ決定論的な点滅制御が可能になった。

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.

研究の動機と目的

• 単一コロイダル量子ドットにおける光励起発光の間歇的発光（点滅）という長年の課題に取り組むこと。これは、単一光子源や生物学的追跡への応用を制限している。
• 化学的構造の変更や外部基板・試薬の必要なしに、非侵襲的かつ全光的手段で点滅を抑制する方法を開発すること。
• 超短パルス中赤外線が、帯電したトリオン状態を選択的に放電させ、CdSe/CdS コアシェル量子ドットで明るい励起子発光を回復させられることを実証すること。
• 試料の完全性と発光特性を保持することで、本手法が既存の単一粒子追跡および超解像顕微鏡技術と相性が良いことを検証すること。

提案手法

• 405 nm の連続波（CW）レーザーによる光学励起と、5.5 µm、150 fs の超短パルス MIR を用いた電場誘起電荷操作を組み合わせた複合励起技術を採用した。
• 機械式シャッタを用いて MIR パルスの照射時間を制御し、電場強度とパルス数のバーストにおける正確な調整を可能にした。
• 時間分解光子相関および単一光子カウンティングを用いて、点滅統計、発光寿命、発光スペクトルを測定し、発光状態遷移を評価した。
• 一次元の段階関数ポテンシャルモデル（コア、シェル、トラップ領域を含む）を用いて、MIR 電場下での電子ダイナミクスを模擬するための量子トンネルシミュレーションを実施した。
• マトリックス・ノーヴァ法を用いて時間に依存するシュレーディンガー方程式を解き、sin²パルスエンベロープを用いた半古典的クーロンゲージ表現を採用した。
• MIR 電場（1818 cm⁻¹、0.2254 eV）下での電子トンネル確率と状態集団ダイナミクスを計算し、トリオン状態から励起子状態への電荷移動をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超短パルス中赤外線を用いることで、化学的・構造的改変なしに、単一コロイダル量子ドットにおける蛍光点滅を能動的に抑制できるか？
• RQ2 MIR パルスの適用が、帯電したトリオン状態を選択的に放電させ、明るい励起子発光を回復させるか？
• RQ3 点滅量子ドットの OFF（トリオン）状態から ON（励起子）状態への遷移を最大化する最適な MIR 電場強度とパルス幅は何か？
• RQ4 MIR による電荷移動が OFF 状態に費やす時間をどれほど短縮できるか。また、その結果、発光強度分布が一様な分布に近づくか？
• RQ5 本全光的手法は、ダイヤモンド中の欠陥や 2D 材料など、電荷蓄積に起因する点滅を示す他の発光体にも適用可能か？

主な発見

• 最大電場強度（Fmax ≈ 10 MV/cm）の 0.6 倍の MIR パルスを印加することで、OFF 状態に費やす時間が最大 90% 減少し、発光強度ヒストグラムが二峰性からほとんど一様な ON 状態にシフトした。
• 本手法により、低量子収率の「グレー」トリオン状態から高輝度の励起子状態への決定的スイッチングが達成されたが、遷移帯域励起や誘電破壊は誘発されなかった。
• 量子トンネルシミュレーションにより、MIR 電場がコアからシェルへの電子移動を促進し、トリオン状態の過剰電荷を中和することで励起子発光を回復させることを確認した。
• 本手法は、量子ドットの固有の光励起発光量子収率と発光安定性を保持しており、繰り返しの MIR 曝露下でも光劣化は観察されなかった。
• 試料の改変や外部環境の変更が不要なため、既存の単一粒子追跡および超解像顕微鏡プラットフォームと相性が良い。
• 電荷蓄積に起因する非放射的再結合の普遍性を考慮すると、本手法はダイヤモンド中の単一光子発光欠陥や 2D 材料など、他の発光体への応用も可能である。