CN113889844B - 一种纳米线-等离激元耦合的单光子发射器及其制备方法 - Google Patents

一种纳米线-等离激元耦合的单光子发射器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米线‑等离激元耦合的单光子发射器，包括衬底、设置于衬底上的纳米线本体、环状包裹纳米线本体的介质镀膜、环状包裹介质镀膜的金属镀膜；一量子点设置于纳米线本体上。本发明提的纳米线‑等离激元耦合的单光子发射器结构，在衬底中制备纳米线并在中间掺杂制成量子点，并对所制备的纳米线量子点进行介质镀膜和金属镀膜。金属等离激元与量子点进行耦合，进而提高发射器的单光子发射速率，有效降低纳米线支持单模传输的最小半径。由于采用镀膜方法，所述结构可以自组装，进而实现量子点的位置可控。本发明可以获得稳定的高发射速率的单光子源。

Description

一种纳米线-等离激元耦合的单光子发射器及其制备方法
技术领域
本发明涉及量子通信领域，具体为一种纳米线-等离激元耦合的单光子发射器及其制备方法。
背景技术
单光子发射器是量子通信，量子计算和量子计量学中的关键组成部分之一。量子点(QD，Quantum dots)做为典型的二能级系统，由于其宽带吸收，窄的发射带，光谱可调谐性以及稳定和明亮的光致发光性能成为了最有前途的单光子发射器之一。但是，由于其低的自发辐射速率(约为10ns,100MHz)和随机的发射方向，单量子点的应用受到限制。为了提高激发态的自发发射率(SE)，从而提高最大单光子率，可以将发射器放置在光子环境中，使其光态局部密度增加。这种增加的自发发射率，被称为珀塞尔效应(Percell effect)。近年来已经有多种结构用于提高量子点的定向辐射和辐射增强，例如加装光学腔、纳米线及各种金属结构从而提高自发发射的效率和方向性。
图1为传统的纳米线量子点的结构示意图，纳米线可以改善量子点自发辐射的方向性，使量子点的自发辐射汇聚在纳米线两端。同时由于纳米线与量子点一体生长，量子点的位置可控。然而这种方法有两个主要缺点：第一，纳米线对量子点的自发辐射速率的增强效果有限，甚至在纳米线半径较低时无法支持圆柱波导的最低模态传输，从而极大的抑制量子点的自发辐射(为原来的0.02倍)。第二，纳米线所要求的最小半径过大，导致最终系统结构的尺寸较大，难以集成。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是克服自组装和胶体QD定位的传统难题。本发明提供一种将金属等离激元和纳米线量子点相耦合，提高结构的局部态密度，提高发射器的自发发射速率，减小纳米线支持最小模态的半径并提高量子点的发射速率，同时利用纳米线获得高方向性的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器及其制备方法和应用。
本发明首先提供一种纳米线-等离激元耦合的单光子发射器，包括衬底、设置于衬底上的纳米线本体、环状包裹纳米线本体的介质镀膜、环状包裹介质镀膜的金属镀膜；一量子点设置于纳米线本体上。
本发明还提供如下优化方案：
优选的，所述纳米线本体采用竖直生长后超声波倾倒制备。
优选的，所述纳米线本体材质为GaAsP。
优选的，所述介质镀膜材质为AlGaAs。
优选的，所述衬底材质为二氧化硅。
优选的，所述金属镀膜材质为Ag。
本发明还提供一种上述的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器的制备方法，包括如下步骤：
S1提供一衬底；
S2在所述衬底上生长纳米线本体；在生长到量子点高度时更换成量子点的组分生长，直到量子点生长完成后继续进行纳米线本体的生长直至完成纳米线本体的生长；
S3使用超声波发声器将纳米线本体倾倒成水平向；
S4利用电子束蒸发对纳米线本体进行介质镀膜；
S5利用电子束蒸发对纳米线本体进行金属镀膜。
优选的，S2步骤中采用VLS工艺生长纳米线本体。
优选的，S4步骤和S5步骤中电子束蒸发的电流为4.5A。
本发明还公开了上述的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器应用于量子通信。
本发明的有益效果是：
本发明提的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器结构，在衬底中制备纳米线并在中间掺杂制成量子点，并对所制备的纳米线量子点进行介质镀膜和金属镀膜。金属等离激元与量子点进行耦合，进而提高发射器的单光子发射速率，有效降低纳米线支持单模传输的最小半径。由于采用镀膜方法，所述结构可以自组装，进而实现量子点的位置可控。本发明可以获得稳定的高发射速率的单光子源。
本发明的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器将等离激元纳米天线和纳米线量子点结合起来。利用镀膜的方式在纳米线量子点外层加附一层金属膜，利用金属的等离激元效应增加量子点自发辐射速率。金属膜与纳米线量子点间夹有一层介质膜，旨在与纳米线组成双层波导，提高辐射的方向性。
附图说明
图1为传统纳米线量子点结构示意图。
图2为本申请的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器结构示意图。
图3为本申请的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器的制备流程图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明首先提供一种纳米线-等离激元耦合的单光子发射器，包括衬底、设置于衬底上的纳米线本体、环状包裹纳米线本体的介质镀膜、环状包裹介质镀膜的金属镀膜；一量子点设置于纳米线本体上。
所述纳米线本体采用竖直生长后超声波倾倒制备。
所述纳米线本体材质为磷砷化镓GaAsP。
所述介质镀膜的材料为铝参杂的砷化镓AlGaAs。厚度为10nm。材质为AlGaAs。
本发明所述的量子点材料为砷化镓GaAs。
本发明所述的高斯伯曲线层厚度为60nm。
所述衬底材质为二氧化硅。
所述金属镀膜材质为Ag。
本发明还提供一种上述的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器的制备方法，包括如下步骤：
S1提供一衬底；
S2在所述衬底上生长纳米线本体；在生长到量子点高度时更换成量子点的组分生长，直到量子点生长完成后继续进行纳米线本体的生长直至完成纳米线本体的生长；
S3使用超声波发声器将纳米线本体倾倒成水平向；
S4利用电子束蒸发对纳米线本体进行介质镀膜；
S5利用电子束蒸发对纳米线本体进行金属镀膜。
优选的，S2步骤中采用VLS工艺生长纳米线本体，VLS即vapor-liquid-solid工艺，体系中存在的杂质能与其它组分形成共融的触媒液滴，形成晶须的气体原料通过V-L-S界面层不断输入到小液滴中，达到了晶须生长的饱和度后，基体的表面将形成晶核进而析出晶体,然后晶须不断向上生长，最后残留在晶须顶端的液滴成为按照该机理生长的晶须的基本特征。-般来说按照该机理生长的晶须，可通过控制共融触媒液的性质、位置、种类、化学组成等来控制晶须的生长。
优选的，S4步骤和S5步骤中电子束蒸发的电流为4.5A。
本发明还公开了上述的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器应用于量子通信。
本申请所述的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器，如图3所示具体流程如下：
提供一衬底层，所述衬底层的材料为二氧化硅，在所述衬底层在衬底中制备利用VLS工艺外延生长纳米线，并在纳米线生长过程中通过控制P参杂含量在纳米线中央制成量子点；将样品倾倒后用电子束蒸发或原子层沉积对所制备的纳米线量子点进行介质镀膜和金属镀膜。
本发明将金属等离激元-量子点和纳米线-量子点的优势结合起来，在提高量子点局部态密度、提高其自发发射速率的同时，利用纳米线的波导结构提高其自发辐射的方向性。本发明所述的纳米线量子点具有原子级尖锐的异质结构界面，能够以高量子产率和有限的非辐射弛豫实现明亮的单光子发射。最外层的的Ag金属镀膜可以在量子点自发辐射波段形成电子局部集体震荡(等离激元现象)，进而为量子点提供一个电场热点。根据费米黄金法则，发射器的自发辐射率与局部态密度成正比。狭小的金属腔体和热点可以提供较大的局部态密度进而提高量子点的自发辐射速率。本发明所述的中间层AlGaAs介质镀膜可以为视为双层波导，对量子点的自发辐射起到约束作用，同时确保纳米线量子点和Ag镀膜不直接接触，降低整个结构的金属损耗。
本发明所述的单光子发射器包括衬底、纳米线本体、介质镀膜和金属镀膜。所述的纳米线中间包有量子点，辐射波长为750nm。
上述为本发明的详细阐述，下面为本发明实施例。
实施例1
本实施例所述的一种高效单光子发射器，其制备方法如下：
(1)提供一衬底，所述衬底的材料为二氧化硅；
(2)在所述衬底的硅晶片上通过Ga辅助的VLS工艺生长GaAsP纳米线本体，生长温度为630℃，生长时间为60分钟。生长期间通过切断P的供应在GaAsP中间形成GaAs量子点区域。并增加束流压力以补偿QD生长过程中磷的供应减少。QD的生长时间为30s。在QD生长后，As和P分子的等效束压恢复到初始状态，完成对纳米线本体和量子点的制备。
(3)利用超声波发声器将制备样品倾倒；
(4)利用电子束蒸发对样品进行介质镀膜，厚度为10nm，电流为4.5A，电压为2kV；
(5)利用电子束蒸发对样品进行金属镀膜，厚度为10nm,电流为4.5A，电压为2kV。
采用此方法制备的d＝20nm，介质镀膜厚度10nm，金属镀膜厚度10nm的单光子发射器，单光子发射速率提升倍数可达到66倍，单光子发射速率达到了330GHz。
实施例2
本实施例所述的一种高效单光子发射器，其制备方法如下：
(1)提供一衬底，所述衬底的材料为二氧化硅；
(2)在所述衬底的硅晶片上通过Ga辅助的VLS工艺生长GaAsP纳米线本体，生长温度为630℃，生长时间为60分钟。生长期间通过切断P的供应在GaAsP中间形成GaAs量子点区域。并增加束流压力以补偿QD生长过程中磷的供应减少。QD的生长时间为30s。在QD生长后，As和P分子的等效束压恢复到初始状态，完成对纳米线本体和量子点的制备。
(3)利用超声波发声器将制备样品倾倒；
(4)利用电子束蒸发对样品进行介质镀膜，厚度为10nm，电流为4.5A，电压为2kV；
(5)利用电子束蒸发对样品进行金属镀膜，厚度为20nm,电流为4.5A，电压为2kV。
采用此方法制备的d＝30nm，介质镀膜厚度10nm，金属镀膜厚度20nm的单光子发射器，单光子发射速率提升倍数可达到55倍，单光子发射速率达到了275GHz。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种纳米线-等离激元耦合的单光子发射器，其特征在于：包括衬底、设置于衬底上的纳米线本体、环状包裹纳米线本体的介质镀膜、环状包裹介质镀膜的金属镀膜；一量子点设置于纳米线本体上，所述纳米线本体采用竖直生长后超声波倾倒制备，在纳米线生长过程中通过控制P参杂含量在纳米线中央制成量子点。
2.根据权利要求1所述的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器，其特征在于：所述纳米线本体采用竖直生长后超声波倾倒制备。
3.根据权利要求1所述的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器，其特征在于：所述纳米线本体材质为GaAsP。
4.根据权利要求1所述的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器，其特征在于：所述介质镀膜材质为AlGaAs。
5.根据权利要求1所述的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器，其特征在于：所述衬底材质为二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器，其特征在于：所述金属镀膜材质为Ag。
7.一种权利要求1所述的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1提供一衬底；
S2在所述衬底上生长纳米线本体；在生长到量子点高度时更换成量子点的组分生长，直到量子点生长完成后继续进行纳米线本体的生长直至完成纳米线本体的生长；
S3使用超声波发声器将纳米线本体倾倒成水平向；
S4利用电子束蒸发对纳米线本体进行介质镀膜；
S5利用电子束蒸发对纳米线本体进行金属镀膜。
8.根据权利要求7所述的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器的制备方法，其特征在于：S2步骤中采用VLS工艺生长纳米线本体。
9.根据权利要求7所述的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器的制备方法，其特征在于：S4步骤和S5步骤中电子束蒸发的电流为4.5A。
10.如权利要求1所述的纳米线-等离激元耦合的单光子发射器的应用，其特征在于：用于量子通信。
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