量子點是一種人造原子：尺寸只有幾奈米，由半導體材料製成，可以發射特定顏色的光甚至單個光子，這對於量子技術非常重要。量子點商業化生產的發現者和先驅者被授予2023年諾貝爾化學獎。近年來，由鈣鈦礦製成的量子點特別受到關注。
鈣鈦礦屬於一類與礦物鈣鈦礦（鈦酸鈣）具有相似結構的材料。由此類材料製成的量子點由蘇黎世聯邦理工學院於2015年首次生產出來。這些由鈣鈦礦奈米晶體制成的量子點可以與液體形成分散體，這使得它們易於進一步加工。此外，它們特殊的光學特性使它們比許多其他量子點更明亮。它們的生產成本也更低，這使得它們在顯示器等領域的應用很有趣。
論文第一作者朱程戀
鑑於此，瑞士蘇黎世聯邦理工學院Gabriele Rainò、Maksym V. Kovalenko等報道了鈣鈦礦量子點中的單光子超輻射，其輻射衰減時間低於100皮秒，幾乎與報道的激子相干時間一樣短。有效質量計算證實，輻射率對量子點的尺寸、成分和溫度的特徵依賴性表明巨型躍遷偶極子的形成。這些結果有助於開發超亮、相干的量子光源，並證明單光子發射等量子效應在比激子玻爾半徑大十倍的奈米粒子中持續存在。相關研究成果以題為“Single-photon superradiance in individual caesium lead halide quantum dots”發表在《Nature》上,第一作者為Chenglian Zhu。
在一個月之前，Maksym V. Kovalenko等人人證明了如何進一步改進鈣鈦礦量子點的這些有前途的特性。他們透過在量子點表面塗上磷脂，光子的產生變得更加穩定。顯著提高了由鹵化鉛鈣鈦礦製成的量子點的亮度。
【不快樂的原子會降低亮度】
亮度是量子點的重要衡量標準，與量子點每秒發射的光子數量有關。量子點在被激發後（例如，被更高頻率的紫外光激發）輻射出特定顏色（以及頻率）的光子。這導致在材料的能帶結構中形成由電子和空穴（換句話說，缺失的電子）組成的激子，該電子現在可以更自由地移動。激發的電子可以回落到較低的能態，從而與空穴重新結合。如果在此過程中釋放的能量轉化為光子，量子點就會發光。
然而，這並不總是有效的。在鈣鈦礦奈米晶體的表面，有一些不快樂的原子，它們在晶格中缺少了一個相鄰的原子。這些邊緣原子擾亂了奈米晶體內部正負電荷載流子之間的平衡，可能導致重組過程中釋放的能量轉化為晶格振動，而不是以光的形式發射出來。因此，量子點會"閃爍"，即不會持續發光。
【磷脂製成的保護塗層】
為了防止這種情況發生，Maksym V. Kovalenko和他的團隊開發了一種稱為磷脂的定製分子。這些磷脂與脂質體非常相似，例如，針對冠狀病毒的mRNA疫苗嵌入脂質體中，使其在血液中保持穩定，直到到達細胞。一個重要的區別是：研究人員優化了他們的分子，使分子的極性或電敏感部分鎖定在鈣鈦礦量子點的表面上，並確保為“不高興”的原子提供電荷夥伴。
Figure 1. 磷脂分子在鈣鈦礦奈米晶體周圍形成了一層保護層，使其能夠分散在非水溶液中，確保量子點更連續地發射光子
突出在外部的磷脂的非極性部分也使得可以將量子點轉變為非水溶液（例如有機溶劑）內的分散體。鈣鈦礦奈米晶體表面的脂質塗層對於其結構穩定性也很重要。到目前為止，Kovalenko和他的團隊已經展示了對由鹵化鉛鈣鈦礦製成的量子點的處理，但它也可以很容易地適用於其他金屬鹵化物量子點。
【得益於超級輻射，更加明亮】
圖 1. 固態量子發射器中的激子 SPS 示意圖
利用脂質表面，可以將量子點的閃爍減少到在95%的電子-空穴複合事件中發射光子的程度。然而，為了使量子點更加明亮，研究人員必須提高重組本身的速度，而這需要量子力學。當偶極子（正電荷和負電荷相對於彼此移位）與真空電磁場相互作用時，激發態（例如激子）會衰變。偶極子越大，衰減越快。建立較大偶極子的一種可能性涉及將幾個較小偶極子彼此相干耦合。這可以與機械連線的擺鐘進行比較，並在一定時間長度後相互同步滴答作響。
研究人員透過實驗證明，相干耦合也適用於鈣鈦礦量子點——只有一個激子偶極子，透過量子力學效應，散佈到整個量子點的體積，從而建立其自身的多個副本。量子點越大，可以建立的副本就越多。這些副本可以帶來一種稱為超輻射的效應，透過這種效應，激子重組速度要快得多。因此，量子點也可以更快地吸收新的激子，從而每秒發射更多的光子，使其更加明亮。需要注意的一個重要細節是，更快的量子點繼續發射單個光子（而不是一次幾個光子），這使得它適合量子技術。
圖 2. 4 K 時尺寸依賴的激子壽命
圖 3. 激子壽命隨溫度變化
圖 4. 與成分相關的激子壽命
圖 5. 30nmCsPbBr3 QD的單光子發射
【總結】
利用高度可工程化的膠體鈣鈦礦量子點中對激子量子點尺寸的精細控制，本文報告了在可擴充套件和可整合的材料平臺中觀察到的激子SPS。在實驗上，作者基於尺寸、成分和溫度相關的輻射率，提供了這一協作過程的全面而可靠的圖景，並透過先進的k.p/有效質量理論計算和AIMD模擬得到證實。弱限制的單個CsPbX 3量子點的光致發光顯示出激子輻射衰減的尺寸依賴性加速，輻射壽命接近報道的激子相干時間。這些新開發的明亮且相干的量子光源是裸露的奈米探針（既不嵌入光學微腔也不嵌入介電矩陣），可以進一步設計並用於量子成像應用。此外，在那些先前未探索的弱約束激子中觀察到的豐富特徵，例如當前發現的核心的強電子-空穴相關性，將在不同的應用領域中產生變革。
來源：高分子科學前沿
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