CN206930368U - 一种宽禁带半导体量子点荧光的二阶相关性测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型针对宽禁带半导体量子点难以在光学显微镜下辨识并测量其荧光的二阶相关性的问题，提出了联合共聚焦显微镜，电动平移载物台，光谱仪及单光子探测器，构建成一套方便、易实施的宽禁带半导体量子点荧光的二阶相关性测量系统，可以实现二阶相关性的二维平面内扫描测量，能够一次性测量整个衬底上所有量子点各自的荧光二阶相关性结果，有效解决量子点在光学显微镜下难以寻找和定位的问题。

Description

一种宽禁带半导体量子点荧光的二阶相关性测量系统

技术领域

本实用新型涉及量子点、单光子源及量子信息、量子保密通讯领域，提供了一种半导体量子点荧光量子特性的测量系统，利用该测量系统可以确定半导体量子点荧光的二阶相关性。

背景技术

单光子源是能够稳定地发出单个光子的反群聚源，即其发出的光子流是在一定的时间间隔内只包含一个光子，是量子信息技术，如量子保密通讯和量子计算的基础。目前实现单光子源的方式主要有衰减脉冲激光，金刚石NV色心，单原子或分子共振荧光发光，单量子点荧光等方式。其中宽禁带半导体的量子点，在材料外延、可控n型及p型掺杂、大的激子束缚能方面，均使其在室温电注入微纳单光子源方面有较好前景。

衡量及判断一个光源是否是单光子源，最基本的需要检测其发出的光子流是否具有反群聚性，即经典光源往往同时发出多个光子，而单光子源发出的光子则在时空上是一一分离的。在实验上，将光源发出的光子流利用反射透射比为50：50的分束器分成两束，利用探测器探测并记录两束光子流中是否有光信号到达以及相应的到达时间，二阶相关性即衡量光子同时到达性的参数。对于理想的单光子源，由于光子流中的单光子在分束器中无法再被二分，因此将以分别50%的概率进入到两个探测器，因此两个探测器永远不会“同时”出现光信号的到达事件。而经典光源的光信号中由于包含群聚的多个光子，将可以被分束器分成两束，同时到达探测器。

半导体纳米结构荧光的二阶相关性测量需要在显微光路下进行，光学显微镜的空间分辨能力约在300nm，而单光子源领域涉及的量子点尺寸往往在100nm以下，光学显微镜下难以识别。常见的解决方法包括利用EBL预先制备微米级标记来指示量子点位置，并利用可见波段的激光作为激发源。可见波段的激光光斑较大，直径一般在微米级，在有标记指示量子点大致方位的条件下可以较容易照射到量子点上，而针对宽禁带半导体，激发光源需要为紫外激光甚至深紫外激光，聚焦后激光斑尺寸很小，如果仅通过微米级标记指示的方法，将激光照射到量子点的难度很大，实验成功率及效率很低。因此，针对宽禁带半导体量子点发展二阶相关性的新测量系统及方法在单光子源研究中有重要意义。

发明内容

本实用新型公开了一种针对宽禁带量子点荧光的二阶相关性测量系统，旨在提供一种高效、易实施的验证单量子点光源的单光子性的方案，利用该测量系统可以确定半导体量子点荧光的二阶相关性。

本实用新型的技术方案如下：

宽禁带量子点荧光的二阶相关性测量系统，其至少包括：

一激光源，用于提供激光，作为量子点荧光的激发源，其波长短于量子点荧光带隙；

一共聚焦显微镜，用于对激光进行聚焦，也用于收集量子点荧光；

一电动平移载物台，用于放置带激发的样品，并实现样品进行横向平面内的位移，电动平移载物台放置于共聚焦显微镜下方；

一光谱仪，包括两个出口；一个出口外接光谱成像CCD，用于测量针对未知荧光峰位置的量子点的荧光谱；另一个出口外接二阶相关性测量装置，用于测量样品荧光的二阶相关性。

所述二阶相关性测量装置包括：单光子计数器，用于探测到达的包含多于或等于一个光子的极弱光；时间相关单光子计数系统，用于对单光子计数器输出信号事件的相对时间进行精确测量。

所述二阶相关性测量装置具体包括：分束器II，两个单光子计数器，一个时间相关单光子计数系统，分束器II位于光谱仪的出口处，两个单光子计数器分别位于分束器II的两个反射光方向，两个单光子计数器均连接至时间相关单光子计数系统；所述分束器II，用于将光谱仪的出射光分为等分的两束，分别入射到两个单光子计数器。

所述激光源和共聚焦显微镜之间按照光照顺序依次设置有窄带滤光片、反射镜I、分束器I、反射镜II，进一步，所述分束器I和光谱仪的进光口之间设置有高通滤光片；所述激光窄带滤光片，用于过滤掉激光中的杂峰；所述反射镜I和反射镜II，用于光路方向调整，可根据实际光路搭建需求调整增减；所述分束器I，用于激发光与信号光的合束，使激发光被反射到待激发的样品，并使得样品的荧光透射进后续测量光路；所述高通滤光片，用于过滤掉信号光中的激光源瑞利散射峰。

所述分束器I采用二向色分束器。

所述分束器I和分束器II均为反射透射比为50：50的分束器。

使用上述系统测量宽禁带半导体量子点的二阶相关性时，其测量步骤为：

待激发的样品，即载有宽禁带半导体量子点的衬底，平放于电动平移载物台上，电动平移载物台可以实现样品在横向平面内的精确位移；

调节电动平移载物台高度，使得衬底在共聚焦显微镜下成像清晰；

激光源发出的激光通过共聚焦显微镜聚焦照射到衬底上，假设激光照射到宽禁带半导体量子点时，宽禁带半导体量子点的光致荧光将被共聚焦显微镜收集，并传入到光谱仪，由于宽禁带半导体量子点在普通光学显微镜下无法辨识，因此目前无法得知激光是否照射到宽禁带半导体量子点；

此时，如果宽禁带半导体量子点的荧光峰位对操作者而言是未知的，可以将光谱仪的信号出射口调节为外接光谱成像CCD的出口；

将共聚焦显微镜的共聚焦孔调节到合适大小，使共聚焦显微镜具备足够的横向空间分辨能力；

通过计算机联动控制电动平移载物台和光谱仪，使得电动平移载物台在横向空间逐点扫描时，光谱仪同步逐点接收宽禁带半导体量子点的荧光信号；通过电动平移载物台在两个正交方向的遍历扫描，可以将整衬底遍历，由于共聚焦显微镜空间分辨尺度及电动平移载物台步进距离尺度一般小于激光聚焦斑点尺度，因此遍历扫描将使得激光能激发到宽禁带半导体量子点，并采集到宽禁带半导体量子点的荧光光谱，获得其荧光峰位；

获得宽禁带半导体量子点的荧光峰位后，将光谱仪的出光口调节至外接单光子计数器的出口，并将光栅旋转至恰好宽禁带半导体量子点的荧光波段的光照射到出光口。此时需要使用高刻线密度的光栅，使得照射到出光口的光波长范围较窄，尽可能只有宽禁带半导体量子点的荧光峰照射到出光口，避免其他杂峰干扰后续二阶相关性的测量；

通过计算机联动控制电动平移载物台和光谱仪，使得平移载物台在横向空间逐点扫描时，光谱仪同步逐点接收荧光信号，使荧光信号能进入到单光子计数器，单光子计数器如果探测到荧光信号，会传递信号给时间相关单光子计数系统，该时间相关单光子计数系统会分别记录两个单光子计数器采集到荧光信号的相对时间，后续通过处理所述荧光信号到达的相对时间，可以获得样品荧光的二阶相关性。如此，通过平移台在两个正交方向的遍历扫描，可以将整个衬底遍历，并得到其上所有量子点单独的荧光二阶相关性。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型不同于传统“显微镜定位样品-激发光激发样品-测量二阶相关性”的测量思路，针对量子点在光学显微镜下难以识别和定位、宽禁带量子点激发光光斑小等测量难点，将电动平移载物台、共聚焦显微镜与光谱仪结合，实现量子点二阶相关性的平面扫描测量，能够一次性测量整个衬底上所有量子点各自的二阶相关性结果。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构示意图。

其中，附图标记为：1为激光源；2为激光窄带滤光片；3为反射镜I；4为分束器I；5为反射镜II；6为共聚焦显微镜；7为电动平移载物台；8为高通滤光片；9为光谱仪；10为光谱成像CCD；11为分束器II；12、13均为单光子计数器；14为时间相关单光子计数系统。

具体实施方式

本实用新型通过结合共聚焦显微镜、电动平移载物台、以及单光子探测系统，针对光学显微镜无法辨识的宽禁带半导体量子点（尺寸一般小于50nm）荧光的二阶相关性测量，可以无需通过扫描电子显微镜定位并标记量子点位置，并回避了紫外激发光光斑尺寸小，难以准确照射到量子点的问题。

本实用新型的具体结构如图1所示，针对GaN量子点，进行测量的方法步骤如下：

1)将载有GaN量子点的衬底平放于电动平移载物台上，电动平移载物台可以由包括但不限于步进电机及压电陶瓷驱动，可以实现横向平面内精度优于50nm的精确位移。

2)调节电动平移载物台高度，使得衬底在共聚焦显微镜下成像清晰。

3)将激发光，例如波长为266nm的连续激光，通过共聚焦显微镜聚焦照射到衬底上，假设激光照射到GaN量子点时，GaN量子点的光致荧光将被共聚焦显微镜收集，并传入到光谱仪。由于GaN量子点尺寸在50nm以下，在光学显微镜下无法辨识，因此目前无法得知激光是否照射到量子点。

4)此时，由于量子尺寸效应，GaN量子点的荧光峰位对操作者而言是未知的，将光谱仪的信号出射口调节为外接了光谱成像CCD的出口。

5)将共聚焦显微镜的共聚焦孔调节到合适大小，比如50um，使共聚焦显微镜具备足够的横向空间分辨能力，比如小于400nm。

6)评估GaN量子点荧光强度，给光谱仪设定合适的积分时间，如1s，通过计算机联动控制电动平移载物台和光谱仪，做到平移台每平移一次，如在一个方向平移50nm，就停留一段时间，如1s，光谱仪在这段时间内打开快门进行曝光，采集荧光谱。通过平移台在两个正交方向的遍历扫描，可以将整衬底遍历，由于共聚焦显微镜空间分辨尺度及电动平移载物台步进距离尺度一般小于激光聚焦斑点尺度，因此遍历扫描将使得激光能激发到GaN量子点，并采集到它的荧光光谱，获得其荧光峰位。

7)得知GaN量子点荧光峰位后，将光谱仪出光口调节至外接单光子计数器的出口，并将光栅旋转至恰好GaN量子点荧光波段的光照射到出光口。此时需要使用高刻线密度的光栅，使得照射到出光口的光波长范围较窄，尽可能只有GaN量子点直接带隙荧光峰照射到出光口，避免其他杂峰，如黄光带峰干扰后续二阶相关性的测量。

8)类似于步骤6，评估单次二阶相关性测量需要的时间，如1s，通过计算机联动控制电动平移载物台和光谱仪，做到平移台每平移一次，如在一个方向平移50nm，就停留一段时间，如1s，光谱仪在这段时间内打开快门进行曝光，使光信号能进入到单光子计数器，单光子计数器如果探测到光信号，会传递信号给时间相关单光子技术系统，该系统会分别记录两个单光子计数器采集到光信号的相对时间，后续通过处理这些光信号到达的相对时间，可以获得发光源的二阶相关性。如此，通过平移台在两个正交方向的遍历扫描，可以将整个衬底遍历，并得到其上GaN量子点荧光的二阶相关性。

虽然这里讨论的系统及方法是针对宽禁带半导体量子点，如GaN量子点，在荧光的二阶相关性测量时遇到的难点而提出的解决方案，但是它们不必局限于这样的情形。相反，上述测量系统及方法也同样适用于可见光波段的量子点，以及尺寸较大、以致可在光学显微镜下轻松辨识的样品的荧光二阶相关性测量。

Claims (6)

1.宽禁带量子点荧光的二阶相关性测量系统，其特征在于，至少包括：

一用于提供激光的激光源，一用于对激光进行聚焦和用于收集量子点荧光的共聚焦显微镜，一实现样品进行横向平面内的位移的电动平移载物台；一光谱仪，包括两个出口，一个出口外接光谱成像CCD，另一个出口外接二阶相关性测量装置；

共聚焦显微镜位于激光源的激光光照方向上，电动平移载物台位于共聚焦显微镜的下方，光谱仪的进光口位于共聚焦显微镜的样品的荧光透射方向上。

2.根据权利要求1所述的宽禁带量子点荧光的二阶相关性测量系统，其特征在于，所述二阶相关性测量装置包括：用于探测到达的包含多于或等于一个光子的极弱光的单光子计数器和用于对单光子计数器输出信号事件的相对时间进行精确测量的时间相关单光子计数系统。

3.根据权利要求2所述的宽禁带量子点荧光的二阶相关性测量系统，其特征在于，所述二阶相关性测量装置具体包括：分束器II，两个单光子计数器，一个时间相关单光子计数系统，分束器II位于光谱仪的出口处，两个单光子计数器分别位于分束器II的两个反射光方向上，两个单光子计数器均连接至时间相关单光子计数系统。

4.根据权利要求1或3所述的宽禁带量子点荧光的二阶相关性测量系统，其特征在于：所述激光源和共聚焦显微镜之间按照光照顺序依次设置有窄带滤光片、反射镜I、分束器I、反射镜II，所述分束器I和光谱仪的进光口之间设置有高通滤光片。

5.根据权利要求4所述的宽禁带量子点荧光的二阶相关性测量系统，其特征在于，所述分束器I采用二向色分束器。

6.根据权利要求4所述的宽禁带量子点荧光的二阶相关性测量系统，其特征在于，所述分束器I和分束器II均为反射透射比为50：50的分束器。