通过激发光的偏振来调控量子点光致发光的偏振，实现等离子体共振效应

《Journal of Luminescence》：Plasmonic modulation of photoluminescence polarization of quantum dots by polarization of excitation light

本工作利用表面等离子体共振效应，通过在玻璃基底上制备随机分布的半球形银颗粒（AgPs），实现了对CdSe/ZnS量子点（QDs）荧光偏振方向的光学调控。机制在于AgPs作为光天线增强特定偏振方向的光场强度，并显著提高该方向的Purcell因子，从而调控荧光偏振态。

　　

李志高|杨森|姚爱佳|宾卫国|傅宇峰|徐峰|孙志军

厦门大学物理系，中国厦门361005

摘要

在本研究中，我们报道了一种通过激发光的偏振来光学控制光致发光光偏振的方法。该方法基于以下发现：当胶体量子点（QDs）分散在经过退火处理的半球形银颗粒（AgPs）修饰的介电基底上时，在线偏振光的激发下，它们的光致发光光会部分偏振，并且偏振方向随激发光的方向而变化。我们证明了AgPs同时作为激发光和发射光的等离子体光学天线，这增强了位于AgPs附近的QDs处的激发场，尤其是在与激发光偏振方向平行的AgPs径向轴上；同时，由于靠近AgPs的径向偏振发射偶极子的Purcell因子较大，其光子发射率也得到了提高。研究结果表明，通过改变激发光的偏振方向，有可能实现发射光线偏振的动态调制。预计通过使用具有更高光学天线效率的旋转对称等离子体金属结构，并将QDs精确地放置在结构中的适当位置，可以进一步提高发光光的偏振度。

引言

长期以来，人们一直对纳米发射体的发光光偏振及其偏振状态的控制感兴趣，这不仅对基础科学具有重要意义，也具有潜在的应用价值[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。对于纳米发射体（如纳米晶体（NCs）或量子点（QDs）而言，发光光的偏振取决于它们的化学性质、晶体结构以及尺寸和形态，这些因素会影响纳米材料在不同能态之间的电子跃迁[3]、[6]、[7]、[8]。当涉及多个具有随机分布晶体取向的纳米发射体时，发光光通常是非偏振的。由于光的发射还受到纳米发射体所处的光子模式环境的影响，因此可以通过将纳米发射体集成到具有偏振选择性的光子结构（例如光学腔或谐振器）中来控制发光光的偏振[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。近年来，具有形状各向异性的等离子体金属结构因能够支持各向异性偏振的等离子体共振模式而受到广泛研究，这些结构被用于纳米发射体的偏振发光[4]、[5]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。由于等离子体结构和附近的纳米发射体是静止的，因此发光光的偏振状态是不变的。

为了动态控制光致发光的偏振状态，可以使用外部自由空间偏振器和电机械组件来实现；但这样的系统体积较大，且调制频率有限。最近有报道称，可以通过外部磁场调节二维（2D）纳米材料（如过渡金属硫属化合物单层或多层异质结构[20]、[21]以及Ruddlesden–Popper锡卤化物钙钛矿[22]）的内部电子跃迁来控制其发光光的偏振。然而，这种方法仅适用于特定的纳米材料，不利于紧凑集成。理想的动态偏振控制方式是将纳米发射体集成到微/纳米光子系统中，从而可以通过光学或电学方式调节纳米发射体的内部电子态和跃迁，或改变其局部的光子模式环境以实现偏振发光。例如，最近有一项研究报道了使用液晶调谐纳米腔实现对准二维钙钛矿材料发光光偏振的动态电控[23]。

在本文中，我们提出了一种通过激发光的偏振来光学控制光致发光光偏振的新方法。该方法基于以下发现：如图1a所示，当QDs分散在经过退火处理的半球形银颗粒（AgPs）修饰的熔融石英基底上时，在线偏振光的激发下，它们的光致发光光会部分偏振，并且偏振方向随激发光的方向而变化。这一现象的机制表明，可以利用旋转对称的等离子体结构通过激发光的偏振来动态调节发光光的偏振状态。该方法简单易行，易于集成，并适用于多种发光材料。

样本制备

首先，通过热蒸发在熔融石英基底上沉积一层超薄（例如10–35纳米）的银膜，然后在600°C的氩气环境中退火20分钟。结果，在基底上自发形成了随机分布的半球形银颗粒（AgPs）。银膜厚度的增加会导致AgPs的平均尺寸增大。随后，将分散在正己烷中的胶体核壳CdSe/ZnS量子点（QDs）的稀释溶液（0.12 μM）旋涂在经过AgPs修饰的基底上。

发光光的偏振状态与激发光偏振状态之间的相关性

图2显示了在λ_ex=532纳米的光激发下，λ_em=616纳米的发射光的偏振椭圆图，分别对应于有无经过退火处理的AgPs的石英基底上旋涂的QDs。这些偏振椭圆图是根据不同条件下测量的样品的光致发光光谱得到的Stokes参数（S₀、S₁、S₂、S₃）绘制的。

结论

总结来说，我们研究了在经过退火处理的半球形银颗粒修饰的石英基底上旋涂的CdSe/ZnS量子点的发光光的偏振特性。研究发现，对于线偏振的激发光，发光光是部分偏振的，并且偏振方向始终与激发光的方向一致。通过数值模拟AgPs周围偶极子发射体的激发场分布和Purcell因子，我们解释了这一现象的原因。

作者贡献声明

李志高：撰写初稿、验证、方法学设计、实验研究、数据分析。杨森：实验研究、数据分析。徐峰：实验研究。姚爱佳：实验研究、数据分析。傅宇峰：实验研究。孙志军：撰写论文、审稿与编辑、验证、实验指导、资源协调、方法学设计、概念构建。宾卫国：实验研究、验证

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了福建省科学技术项目（项目编号：2020H0002）的支持。