CN103163109A - 自组织单量子点的定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自组织单量子点的定位装置和方法，其装置包括：激光器，其用于产生激发光，激发量子点样品中的量子点产生荧光光束；紫外光源装置，其用于产生紫外光，对单量子点微区光刻胶曝光；显微物镜，其用于汇聚所述激发光和紫外光到所述量子点样品表面微区，并收集所述微区中量子点的荧光光束，其还用于扫描样品表面；光谱仪，其用于表征所述荧光光束，得到荧光光谱；其方法是：在所述荧光光谱找到单量子点对应的分立谱线后停止扫描，打开所述紫外光对当前扫描的样品表面微区光刻胶曝光，以定位单量子点。本发明避免了平面阵列版图工艺在定位单量子点微区上的盲目性，达到了原位准确定位单量子点的目的，提高了单光子源器件的成品率。

Description

自组织单量子点的定位方法及装置

技术领域

本发明涉及量子信息领域，尤其涉及一种自组织单量子点的定位方法及装置。

背景技术

基于对单个量子(如光子、电子)的量子态(如偏振、自旋)进行编码的量子信息技术，在集成规模、处理速度、功耗和信息安全方面都比传统信息技术具有优势。单光子源是量子信息领域三大核心技术(单光子源、量子编码和传输、单光子检测)之一。

低密度(1～10/μm²)自组织铟砷量子点样品能通过后期工艺隔离出单量子点微区，实现近红外(900-1500nm)波段稳定、高效的单光子发射；但自组织量子点成岛位置随机，而目前单光子源器件制备仍采用传统的垂直腔面发射激光器的平面阵列版图工艺，寻找和定位单量子点很盲目。同时，通过光刻或氧化形成图形衬底，在衬底上进行量子点选区外延，虽能实现量子点的定位生长，但会引入表面态，降低量子点发光性能，通常不被采用。共聚焦显微光致荧光谱能通过分立谱线定位样品中的单量子点微区；但显微光谱测试要求样品置于液氮杜瓦，样品从杜瓦中取出后，定位信息丧失。如何在实施工艺时准确定位单个自组织量子点是实现微腔与单量子点强耦合、提升单光子发射效率、提高单光子源器件成品率的关键，也是单光子源光纤耦合和实用化的前提。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服自组织量子点的工艺定位难题，本发明提供了一种借助共聚焦显微光致荧光谱和合束紫外光对液氮杜瓦中单量子点微区进行原位曝光的方法，以准确“标记”和定位单量子点。

(二)技术方案

本发明提出了一种定位自组织单量子点的装置，其包括：

激光器，其用于产生激发光，所述激发光沿光路经显微物镜汇聚，照射在量子点样品表面微区，激发所述微区中的量子点产生荧光光束；

紫外光源装置，其用于产生紫外光；

显微物镜，其用于汇聚所述激发光和紫外光到所述量子点样品表面的微区，并收集所述量子点样品表面的微区中量子点发出的荧光光束，其还用于扫描量子点样品表面；

光谱仪，其用于表征所述荧光光束，得到荧光光谱；

其中，在所述荧光光谱中找到单量子点发出的荧光对应的分立谱线后，所述显微物镜停止扫描，并打开所述紫外光源装置对当前扫描的量子点样品表面微区的光刻胶进行曝光，以定位自组织单量子点的位置。。

本发明还提出了一种自组织单量子点的定位方法，其包括：

步骤1、将表面预涂负性光刻胶的量子点样品放入杜瓦中；

步骤2、由激光器发出的激发光经显微物镜汇聚后，照射所述量子点样品表面的微区；

步骤3、用显微物镜对所述量子点样品表面进行扫描，并收集所述微区中的量子点发出的荧光光束；

步骤4、由光谱仪表征所述荧光光束，获得荧光光谱；

步骤5、从所述荧光光谱找到单量子点发出的荧光对应的分立谱线，并停止扫描；

步骤6、对停止扫描时所述显微物镜聚焦的所述量子点样品表面的微区进行紫外光曝光，以定位自组织单量子点的位置。

(三)有益效果

本发明提出的定位自组织单量子点的装置和方法具有以下效果：

1、实现了对单个自组织量子点的原位、准确和快速定位，避免了平面阵列版图自上而下制备单光子源器件在寻找单量子点上的盲目性；

2、刻蚀形成的台面能保证下面有单量子点，便于完成单光子源器件的后续工艺(如共面电极制备)，提高了单光子源器件的成品率。

附图说明

图1是本发明中使用共聚焦显微光致荧光谱辅助定位单量子点的装置示意图；

图2是本发明中量子点微区中量子点荧光光束和后续刻蚀台面示意图；

图3是本发明中使用共聚焦显微光致荧光谱辅助定位单量子点的方法示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1示出了本发明提出的一种使用共聚焦显微光致荧光谱辅助定位单量子点的装置，其包括：激发用氦氖激光器1、曝光用紫外光源2、挡板和衰减片组3、4、分束器5、6、安装在平移台上的显微物镜7、低密度量子点样品8、液氮杜瓦9、滤光片10、透镜11、光栅光谱仪12和CCD阵列13。其中，激发用氦氖激光器1发出波长632.8nm的激光，经显微物镜7聚焦，照射低密度量子点样品8的微区，使该微区内量子点发出荧光，曝光用紫外光源2采用355nm固体激光器，或405nm半导体激光器，或经扩束、准直和滤光的436nm汞灯以产生曝光用的平行紫外光。衰减片组3位于激发用氦氖激光器1和分束器5之间，用于调整激发用氦氖激光器1产生的激发光强度；挡板和衰减片组4位于曝光用紫外光源2和分束器5之间，用于开关和调整紫外曝光强度。激发用激发光与曝光用平行紫外光经分束器5后合束，共用一条光路，然后经分束器6反射后进入长工作距离显微物镜7，显微物镜7将激发光和紫外光汇聚到位于液氮杜瓦9中的量子点样品8上。

在图1中，量子点产生的荧光被显微物镜7收集，经分束器6透射并经滤光片10滤光后，被透镜11聚焦到光栅光谱仪12的入射狭缝，然后经所述光栅光谱仪处理后得到荧光光谱，所述荧光光谱使用CCD阵列13显示。其中，所述滤光片10选用647nm低通滤光片，目的是滤去氦氖激发光和曝光用紫外光。所述荧光光谱表征的目的在于找到单量子点微区，单量子点给出分立谱线(对应不同激子态发光)，而系综量子点给出宽轮廓荧光谱。

在图1中，安装在平移台上的显微物镜7随平移台移动，从而缓慢扫描量子点样品8的表面，同时收集表面微区中量子点发出的荧光，传到光栅光谱仪12做光谱表征；只有当显微物镜7扫描到某个位置、光栅光谱仪12从所述荧光光谱中找到分立谱线后，表明定位得到了单量子点微区。

在图1中，挡板和衰减片组4通常关闭，即紫外光通常关闭，只有按上述方法扫描找到单量子点微区后才停止扫描，开启紫外光，对单量子点微区进行光刻胶曝光，“标记”单量子点的位置。

如图2左图所示，显微物镜7将合束的激发光和紫外光光束17汇聚到量子点样品8的表面微区上，两者光斑基本重合，大小约为2μm，保证了对单量子点微区的准确定位。光斑微区外的量子点14不发光，只有光斑微区内的自组织量子点才被光激发而产生荧光(即光致荧光)。量子点荧光光束16沿逆光路返回后被显微物镜7收集。所述自组织单量子点为发光波长在近红外波段的自组织铟砷单量子点，它们采用分子束外延在镓砷衬底上生长，成点由应力驱动且自组织生长，成点位置随机，大小有一定分布。

如图2左图所示，低密度量子点样品8表面涂覆的负性光刻胶15只感应436nm以下的蓝光和紫外光，对所述激发光(氦氖激光器632.8nm)和量子点近红外荧光(大于900nm)透明，在显微物镜7聚焦的紫外光束17照射下，光斑微区负性光刻胶变性，后续显影时无法溶解；而光斑微区以外的区域光刻胶性质恒定，后续显影时溶解。

如图2右图所示，扫描完成后将样品从杜瓦中取出，显影、定影、刻蚀，单量子点微区上的光刻胶固化，阻止刻蚀，而其他区域光刻胶溶解，露出样品表面，允许刻蚀。刻蚀的结果是只留下单量子点微区，而把其他区域的量子点层全部刻蚀掉，形成含单量子点的台面18。之后就能在台面上完成单光子源器件的后续工艺，如制备共面电极等。

本发明还提出了一种自组织单量子点的定位方法，其使用上述共聚焦显微光致荧光谱辅助定位单量子点的装置实现对单量子点的定位，该方法具体包括，如图3所示：

1)预先在量子点样品8表面涂一层负性光刻胶；

2)将样品放入杜瓦9中液氮制冷，打开氦氖激光器以产生激发光(用来激发量子点产生荧光)，使用所述显微物镜7将所述激发光聚集照射在所述样品上的微区，所述显微物镜7将所述样品中量子点经激发光照射后产生的荧光光束进行收集，并聚焦到所述光栅光谱仪，由所述光栅光谱仪对所述荧光光束做光谱表征；

3)所述光栅光谱仪通过寻找分立谱线定位单量子点微区；

4)在找到单量子点微区后，用光斑为毫米大小的平行紫外光(如355nm固体激光器、405nm半导体激光器、或经扩束、滤光和准直的436nm汞灯)沿现有激发光光路经显微物镜聚焦后对该微区上面的光刻胶进行曝光，原位“标记”单量子点；

5)用显微物镜扫描样品表面，每找到发光良好的分立谱线就停止扫描，用紫外光对该区域曝光“标记”；记录总共标记数和各点光谱，对应最终有望得到的单光子器件个数和各自光谱，以备后续检验。

6)扫描完成后将样品从杜瓦中取出，显影、定影、刻蚀台面、去胶，每个台面下必然有一个发光良好的量子点。

本发明提出的使用共聚焦显微光致荧光谱辅助定位单量子点的装置和方法同样适用于其他材料体系的自组织量子点，只要量子点荧光波长远离曝光用紫外光波长。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种定位自组织单量子点的装置，其包括：

激光器，其用于产生激发光，所述激发光沿光路经显微物镜汇聚，照射在量子点样品表面微区，激发所述微区中的量子点产生荧光光束；

紫外光源装置，其用于产生紫外光；

显微物镜，其用于汇聚所述激发光和紫外光到所述量子点样品表面的微区，并收集所述量子点样品表面的微区中量子点发出的荧光光束，其还用于扫描量子点样品表面；

光谱仪，其用于表征所述荧光光束，得到荧光光谱；

其中，在所述荧光光谱中找到单量子点发出的荧光对应的分立谱线后，所述显微物镜停止扫描，并打开所述紫外光源装置对当前扫描的量子点样品表面微区的光刻胶进行曝光，以定位自组织单量子点的位置。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述量子点样品表面涂有负性光刻胶，其感应所述紫外光源装置发出的紫外光，而对所述激光器发出的激发光和量子点荧光透明。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激发光和紫外光通过第一分束器合束，共用一条光路。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述显微物镜将所述激发光和紫外光汇聚到所述量子点样品表面，且照射在所述量子点样品上的激发光光斑和紫外光光斑基本重合。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第二分束器、滤光片和透镜，所述显微物镜收集的荧光光束经所述第二分束器透射并经所述滤光片滤除激发光和紫外光后，被所述透镜聚焦到所述光谱仪的入射狭缝。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器为氦氖激光器；所述紫外光光源装置为固体激光器、半导体激光器或经扩束、准直和滤光的汞灯之一。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括挡板和衰减片组，其中所述挡板用于开关所述紫外光，而所述衰减片组用于调整所述紫外光强度。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自组织单量子点为发光波长在近红外波段的自组织铟砷单量子点。

9.一种自组织单量子点的定位方法，其包括：

步骤1、将表面预涂负性光刻胶的量子点样品放入杜瓦中；

步骤2、由激光器发出的激发光经显微物镜汇聚后，照射所述量子点样品表面的微区；

步骤3、用显微物镜对所述量子点样品表面进行扫描，并收集所述微区中的量子点发出的荧光光束；

步骤4、由光谱仪表征所述荧光光束，获得荧光光谱；

步骤5、从所述荧光光谱找到单量子点发出的荧光对应的分立谱线，并停止扫描；

步骤6、对停止扫描时所述显微物镜聚焦的所述量子点样品表面的微区进行紫外光曝光，以定位自组织单量子点的位置。

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