Self-Induced Dark States in Two-Dimensional Excitons

Abstract

We have obtained an ultralong lifetime exciton emission in InAs/GaAs single quantum dots (QDs) when the QD films are transferred onto the Si substrate covered by Ag nanoparticles. It is found that when the separation distance from the QD layer (also the wetting layer) to the Ag nanoparticles is around 19 nm, the QD emission lifetime changes from approximately 1 to 2000 ns. A classical dipole oscillator model is used to quantitatively calculate the spontaneous radiation decay rate of the excitons in the wetting layer (WL), and the simulated calculation result is in good agreement with the experimental one, revealing that the long lifetime exciton emission is due to the existence of the dark state in the WL. The self-induced dark state stems from the destructive interference between the exciton emission field and the induced dipole field of the Ag nanoparticles.

Controlling Exciton Spontaneous Emission of Quantum Dots by Au nanoparticles

“…1 引 言 半导体量子点(QD)由于结构上存在三维限制和类原子特性，因而具有 一系列独特的性质，如量子点可作为理想的固态单光子源，单光子源在量子密 钥等量子信息方面有着重要的应用 [1,2] ．相关地，如何调控单量子态的光学跃迁 一直是该领域的重要研究方向．基于 Fermi 黄金定律，量子点激子的自发辐射速 率正比于激子所处位置的电磁场的态密度 [3,4] ．由 Purcell 理论知 [5] ，改变激子所 在位置的电磁场局域态密度(LDOS) ，可以改变量子点中激子的自发辐射速率， 进而可以调控半导体量子点自发辐射．LDOS 的改变可以基于激子的辐射场与散 射场之间的相互干涉 [3,6] [3,7] ，最近在二维半导体材料 中也有类似的发现 [8,9] ．除了平面反射镜外，实验和理论工作显示，通过在发光 偶极子附近放置金属腔可以调控偶极子自发辐射 [4,[10][11][12][13][14][15] ，而其中球形的金属纳米 颗粒可以产生局域电场的增强效应 [14,[16][17][18] ，也受到了广泛的关注．不过，这些 研究主要集中在如何利用金属局域场来提高量子点激子的发光效率 [19,20] ，而对 于抑制激子自发辐射的研究较少 [21,22] ．抑制激子的自发辐射，即制备长寿命的 激子态恰是激子的玻色-爱因斯坦凝聚研究中的必要条件 [23,24] ．本文在实验上使 用金(Au)纳米颗粒抑制 InAs/GaAs 量子点浸润层(WL)激子的自发辐射速率， 𝑖𝑘𝑟 (2)…”