张成云博士等在Nature Communications上发表硅纳米颗粒荧光的研究论文
近日，我院超快光学（飞秒）实验室教师张成云博士以第一作者在国际著名期刊Nature Communications（自然通讯）发表题为“Lighting up silicon nanoparticles with Mie resonances”的研究论文。该研究成果是张成云博士在华南师范大学兰胜教授（通讯作者）团队读在职博士期间，与暨南大学徐毅副研究员（共同第一作者）、中山大学刘进、李俊韬以及澳大利亚新南威尔士大学的Andrey E. Miroshnichenko（共同通讯作者）等人合作完成的，兰胜教授团队的研究生李慧、向进和李锦祥参与了研究。
硅是常见的半导体材料，广泛应用于电子元器件、探测器、光波导和太阳能电池等领域，由硅基光源，波导，探测器和光开关等微纳光子学器件组成的集成光路被认为是替代现有集成电路最具潜力的方案。迄今为止，可集成的硅基光波导，光开光和探测器等均已实现，但能够采用现代硅工艺制备并且可以集成的硅基光源仍未解决，主要因为硅是间接带隙半导体，其辐射复合过程需要声子的参与，因此发光效率很低。多年来研究人员一直在寻求提高硅基材料发光效率的方法。尽管多孔硅和硅量子点的发光效率相对于体材料得到了很大的提升，但是它们与现代硅工艺并不兼容，且很难与其他硅基器件进行集成。
该研究从采用飞秒激光烧蚀制备的硅纳米球（silicon nanospheres）拓展到采用电子束曝光和离子刻蚀制备的硅纳米柱（silicon nanopillars），颗粒尺寸覆盖100 – 300 nm。该研究首先从理论上分析了增强硅纳米颗粒荧光的内在物理机制，利用电磁偶极共振来增强硅纳米颗粒的多光子吸收同时利用电磁四极共振来增强荧光发射（图1）。由于共振激发电磁偶可以在硅纳米颗粒中产生很高浓度
图1硅纳米颗粒发光机制
的载流子，显著增强的俄歇效应大幅延长了载流子的非辐射复合寿命，而电磁四极的存在又减小了载流子的辐射复合寿命，二者共同作用导致荧光量子效率提升了将近5个数量级。在实验上首次测量了：（1）硅纳米球或纳米柱在飞秒激光激发其电磁偶极共振时可以产生有效的白光发射；（2）单个硅纳米颗粒的荧光寿命约为52 ps；（3）硅纳米球的量子效率约为1.22%，相比体硅材料提升了5个数量级（图2）。这一研究为可兼容可集成的硅基光源的研制开辟了新的思路。
图 2 单个硅纳米球的量子效率测量装置图
《Nature Communications》是国际著名杂志《Nature》的子刊，主要刊登自然科学领域最新的科研进展，由英国Nature Publishing Group在线出版，2018年最新发布的影响因子为12.353。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-05394-z
