AlGaN温感发光研究发Nanotechnology，温度控制模块提供关键支持！
发布日期：2023-10-27
光致发光（Photoluminescence，PL）是冷发光的一种，一般是指特定的发光材料在吸收特定波段的光子后重新发射出另一波段光子的过程。常规的荧光都是光致发光，一些特殊的材料其荧光特性会随着温度的变化而产生显著的变化。
一个稳定的且足够亮的单光子发射源（Single photon emitter，SPE）是量子信息技术的重要载体，而许多材料中的原子缺陷可以有效的产生SPE。近期，华东师范大学武鄂团队[1]使用加热速率可达100℃/s，最高温度可达200℃，稳定性0.01℃的超精准可调节温度控制模块VAHEAT对SPE在AlGaN微柱中的温度依赖性进行了研究。文章针对SPE在不同温度下的PL光谱、PL强度、辐射寿命等参数，探究了AlGaN SPE在高温下线宽加宽的可能机制，有助于进一步研究如何实现此材料在高温下工作的芯片上集成应用。
作者通过AFM原子力显微镜表征了AlGaN微柱在基底上的形态，图1左表明微柱的尺寸约为10±1.5 μm，厚度为~300±150 nm，图1右侧为通过荧光成像系统得到的不同SPE位点的荧光光谱图。因为AlGaN微柱边缘的横向生长速率急剧下降，所以SPE基本都位于不同的AlGaN微柱边缘处。
图1：左图：AlGaN微柱的AFM图像；右图：四个SPE位点E1，E2，E3和E4的宽场成像（a）二维PL分布图（b）三维PL分布图（c）和PL光谱（d）
为了研究温度对于单光子发射源的影响，研究者在成像系统中使用超精准可调节温度控制模块VAHEAT的智能基底和温度控制系统对样品的温度进行精准的控制，观测的温度从303K到373K，每10度为一个区间，同时进行观测和光谱分析。如图2a所示，随着温度的变化，光谱随着温度的升高而略微变宽，而且随着温度的升高，中心PL波长显示出红移，从303 K 下的878.2 nm红移至了373K下的880.4 nm，红移的主要原因是随着温度升高，半导体中的晶格参数的变化。同时荧光的强度也随温度升高而降低（图2b），从图中可以看到即使在373K的高温下，依然可以观察到稳定的发射信号，强度为59.4 kcps，约为303K下强度的38.6%，表明AlGaN微柱上的SPE具有高温稳定性。而且这些SPE的半高峰宽FWHM随着温度的增加会线性的变宽(图2c)，热声子与这些单光子发射源二次相互作用很可能是引起这种线性增宽的原因。
图2：（a）E4位点在不同温度下的PL光谱；（b）E4位点的PL强度，以及PL峰值波长与温度关系；（c）E4位点的半高峰宽与温度关系
为进一步比较和确定高温下AlGaN微柱中的单个缺陷的稳定性，作者在不同温度下对PL强度进行了相对长时间的检测。总采集时间为200s，采集频率为20kHz。从图3中可以看到单光子发射源在室温（303K）和高温（373K）下都表现出良好的稳定性，而且在整个测量过程中，并没有有出现闪烁或漂白现象。
图3：SPE在不同温度下的PL强度稳定性（a）303K，（b）373K
综上所述，AlGaN微柱中的单个缺陷在高温下保持抗聚束光子发射特性和高稳定性，使得AlGaN微柱中的单个缺陷成为开发在高温下工作的紧凑、稳定和成本效益高的量子器件的潜在选择。
本文中，SPE在AlGaN微柱中的温度依赖性研究使用的是超精准可调节温度控制模块-VAHEAT，该模块在长时间(小时到天)和短时间(秒到分钟)下的温度稳定性可至0.01°C (RMS)，加热速率可达100℃/s，温度可达200℃，不仅为该实验提供了快速和精确的温度控制，同时也保证了优越的成像质量。
超精准可调节温度控制模块-VAHEAT
VAHEAT主要特点：
☛ 温度稳定性高：0.01℃
☛ 温控范围广：RT-200℃
☛ 优越的成像质量
☛ 快速且可靠，用于油浸物镜
☛ 四种加热模式可根据用户需求进行不同的实验
VAHEAT典型案例：
VAHEAT部分客户：
VAHEAT部分发表文献：
1. An inkjet-printable fluorescent thermal sensor based on CdSe/ZnS quantum dots immobilised in a silicone matrix. Sensors and Actuators A, 2022.
2. Colloidal black gold with broadband absorption for photothermal conversion and plasmon-assisted crosslinking of thiolated diazonium compound. ChemRxiv, 2022.
3. Mechanistic Insights into the Phase Separation Behavior and Pathway-Directed Information Exchange in all-DNA Droplets. Angewandte Chemie, 2022.
4. Reversible speed control of one-stimulus-double-response, temperature-sensitive asymmetric hydrogel micromotors. Chemical Communications, 2022
5. Progress and Challenges in Archaeal Cell Biology. In: Ferreira-Cerca, S. (eds) Archaea. Methods in Molecular Biology, 2022.
6. Phase-separation antagonists potently inhibit transcription and broadly increase nucleosome density. Journal of Biological Chemistry, 2022
7. A DNA Segregation Module for Synthetic Cells. Small, 2022
8. Precision size and refractive index analysis of weakly scattering nanoparticles in polydispersions. Nature Methods, 2022
9. The Spo13/Meikin pathway confines the onset of gamete differentiation to meiosis II in yeast. EMBO Journal, 2022
10. Microscale Thermophoresis in Liquids Induced by Plasmonic Heating and Characterized by Phase and Fluorescence Microscopies. The Journal of Physical Chemistry C, 2022.
11. A synthetic tubular molecular transport system. Nature Communications, 2021.
12. Deprotection of centromeric cohesin at meiosis II requires APC/C activity but not kinetochore tension. EMBO Journal, 2021.
13. Are bacteria claustrophobic? The problem of micrometric spatial confinement for the culturing of microorganisms. RSC Advances, 2021.
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【参考文献】
【1】Yingxian Xue , et al. "Temperature-dependent photoluminescence properties of single defects in AlGaN micropillars." Nanotechnology 34.22 (2023): 225201.
