高功率激光激发下半导体纳米晶“瞬态熔化”现象揭示其光学特性新机制

搁浅

高功率激光激发下半导体纳米晶“瞬态熔化”现象揭示其光学特性新机制(DOI: 10.1021/acsnano.8b04435)

导语：
半导体纳米晶（Nanocrystals, NCs）因其优异的尺寸可调发光性能，在激光、LED、量子点显示等领域展现出巨大潜力。然而，在高功率激发条件下，其热稳定性与结构响应机制长期未明。2018年，美国西北大学与阿贡国家实验室联合团队在《ACS Nano》发表研究，首次通过双泵浦瞬态吸收光谱（2pTA）与时间分辨光致发光（PL）技术，发现CdSe纳米晶在高激发密度下会发生可逆的晶格无序化（即“瞬态熔化”），并导致带隙红移与低能吸收峰出现。该研究不仅揭示了纳米晶在高载流子注入条件下的结构-光学耦合机制，也为高功率光电器件的稳定性优化提供了新思路。

---

一、研究背景：高激发下的纳米晶行为为何重要？
随着量子点激光器、高亮度LED等器件对高载流子注入密度的需求不断提升，纳米晶在高功率激发下的响应行为成为关键科学问题。传统研究多聚焦于单激子或双激子行为，但在高功率条件下，纳米晶可能经历：

• 多激子复合与Auger加热；
• 晶格温度升高；
• 结构相变或局部熔化。
  

此前，该团队已通过瞬态X射线衍射（TR-XRD）发现，CdSe纳米晶在高激发下会瞬态失去布拉格衍射峰，表明其晶格有序性被破坏，即发生“纳米尺度熔化”。但这一现象是否会影响其光学性质，尚未有实验证实。

---

二、创新方法：双泵浦瞬态吸收（2pTA）技术
为揭示高激发下的光学响应，研究团队设计了一种双泵浦-探测光谱技术（2pTA）：

• 第一泵浦（Pump 1）：低功率激发，产生单激子/双激子，用于“背景扣除”；
• 第二泵浦（Pump 2）：高功率激发，诱导结构变化；
• 探测光（Probe）：记录 Pump 2 诱导的额外光学响应。
  

该方法可有效消除单激子与双激子信号的干扰，突出高功率激发本身带来的非线性光学变化。

---

三、关键发现：晶格熔化引发带隙红移与低能吸收1. 低能吸收峰的出现
在高功率激发下，2pTA 光谱在低于原始带隙的能量区域（约 2.05 eV）出现明显的光诱导吸收峰，该峰：

• 仅在激发密度超过某一阈值时出现；
• 随激发功率增强而增大并红移；
• 与 TR-XRD 中观察到的“熔化”阈值高度一致（约 0.15–0.32 excitons/nm³）。
  

2. 带隙红移与结构无序相关
进一步的时间分辨 PL 测量显示：

• 高激发下，PL 谱线逐渐失去尖锐特征，整体向低能方向移动；
• 表明纳米晶的带隙结构因晶格无序而发生变化；
• 与理论预测一致：熔化状态下，纳米晶的电子结构趋于“非晶化”，带隙减小。
  

---

四、机制解析：热能如何驱动结构相变？
研究指出，高激发下的热能主要通过以下两个机制注入晶格：

• 热载流子弛豫：光激发后，热激子通过 Frohlich 相互作用将能量传递给 LO 声子，快速加热晶格；
• Auger 加热：多激子复合过程中，能量转移至剩余载流子，进一步增强晶格温度。
  

随着温度升高，纳米晶表面能升高，晶格稳定性下降，最终导致局部熔化。这一过程在数皮秒内发生，并在约 150 皮秒内完成重结晶，表现出高度可逆性。

---

五、意义与展望：为高性能器件设计提供指导
本研究首次在光学层面证实了纳米晶在高激发下会发生可逆结构相变，并直接关联其光学性能变化。这一发现具有以下重要意义：

• 揭示性能退化机制：高功率激发下的带隙红移与吸收变化可能影响激光增益与发射纯度；
• 指导材料设计：通过提高壳层厚度、改善热扩散能力，可增强纳米晶的抗热能力；
• 推动器件优化：为开发高功率量子点激光器、LED 提供热稳定性评估新手段。
  

---

六、结语：从“结构”到“性能”的全链路理解
这项研究不仅加深了我们对纳米晶在高激发条件下行为的理解，也展示了超快光谱技术在揭示结构-性能耦合机制中的强大能力。未来，随着激发条件与结构调控手段的进一步精细化，我们有望开发出既高效又稳定的新一代纳米晶光电器件，推动显示、通信与能源技术的跨越式发展。