[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究首次展示了利用超快中红外（MIR）脉冲实现胶体量子点荧光闪烁的全光学抑制。通过在最大电场强度的0.6倍处施加150 fs、5.5 µm的MIR脉冲，研究人员瞬时释放带电三子态，使其转变为发光的激子态，将关闭状态的持续时间减少高达90%，从而实现确定性的、非侵入式的闪烁控制，且无需进行化学或结构修饰。

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.

研究动机与目标

• 为解决单个胶体量子点中光致发光间歇性（闪烁）这一长期挑战，该现象限制了其在单光子源和生物追踪中的应用。
• 开发一种非侵入性、全光学的方法，以抑制闪烁，且不改变量子点的化学结构，亦无需外部基底或试剂。
• 证明超快中红外脉冲可选择性地释放带电三子态，从而在CdSe/CdS核壳量子点中恢复明亮的激子发射。
• 通过保持样品完整性和发光特性，验证该方法与现有单粒子追踪和超分辨率显微技术的兼容性。

提出的方法

• 采用复合激发技术，使用405 nm连续波（CW）激光进行光学激发，同时利用5.5 µm、150 fs的超快MIR脉冲实现电场诱导的电荷调控。
• 使用机械快门控制MIR脉冲的照射时间，从而精确调节电场强度和脉冲 train 中的脉冲数量。
• 通过时间分辨光子相关性和单光子计数测量闪烁统计、发光寿命和发光光谱，以评估发光态之间的转换。
• 采用一维阶跃势垒模型，包含核心、壳层和陷阱区域，通过量子隧穿模拟计算MIR电场下的电子动力学行为。
• 使用矩阵数值方法求解含时间依赖的薛定谔方程，并采用半经典库仑规范表示法，脉冲包络为sin²形式。
• 计算在MIR电场（1818 cm⁻¹，0.2254 eV）作用下电子的隧穿概率和态布居动力学，以模拟从三子态到激子态的电荷转移过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 超快中红外脉冲是否可在不进行化学或结构修饰的情况下，主动抑制单个胶体量子点的荧光闪烁？
• RQ2 MIR脉冲的应用是否选择性地释放带电三子态，从而恢复明亮的激子发射？
• RQ3 为使闪烁量子点中的OFF（三子）态向ON（激子）态转变最大化，MIR电场强度和脉冲持续时间的最佳值是什么？
• RQ4 MIR诱导的电荷转移在多大程度上减少了处于关闭状态的时间？这是否导致发射强度分布趋于单峰？
• RQ5 该全光学方法是否可推广至其他因电荷积累导致闪烁的发光体，如金刚石中的缺陷或二维材料？

主要发现

• 在最大电场强度的0.6倍处（Fmax ≈ 10 MV/cm）施加MIR脉冲，可将处于关闭状态的时间减少高达90%，使发射强度直方图由双峰转变为以单峰ON态为主。
• 该方法实现了从低量子产率的“灰”三子态到高亮度激子态的确定性切换，且未引发带间跃迁或介电击穿。
• 量子隧穿模拟证实，MIR电场可促进电子从核心向壳层转移，中和三子态中的多余电荷，从而恢复激子辐射跃迁。
• 该技术保持了量子点的本征光致发光量子产率和发射稳定性，在反复MIR照射下未观察到光降解现象。
• 该方法与现有单粒子追踪和超分辨率显微镜平台兼容，因其无需样品修饰或外部环境改变。
• 由于电荷诱导非辐射复合具有普适性，该方法可推广至其他因电荷积累导致闪烁的发光体，如金刚石中的单光子发射缺陷和二维材料。