不同應變時的單量子點精細結構分裂

激子的精細結構分裂，是由量子點內電偶矩之間的庫倫作用力所造成。

當量子點受到應力時，將會改變電偶矩的大小，使能階分裂隨著改變。實 驗上經過了數次激子螢光光譜的量測，歸納出量子點受應力後能階分裂變 化的規律。如同由 2.4 節所敘，精細結構分裂與應變不對稱性 (Strain anisotropy)有著很大的關係。

根據【圖 4-5】和【圖 4-6】，激子在兩偏振方向的光激螢光光譜，可觀 察到激子螢光能量是_x高於_y。而對於_y方向能量比較低的激子訊號，若 要減少精細結構分裂量，必頇對量子點_y方向外加壓縮應力，或是對_x方 向外加伸張應力。

在此製備了兩種元件，分別是使用晶面方向為[001] 和[011]的 PMN-PT，

也就是能給予樣品雙軸應力和單軸應力。對於雙軸應力的元件，PMN-PT 隨偏壓分別在_x和_y方向所施加的應力皆相同，因此應變不對稱性不會改 變。對於單軸應力的元件，當 PMN-PT 在逆偏壓時，將會在_x方向施加一 個伸張應力，並在_y方向施加一個強度為 40%的壓縮應力；可大幅改變應 變不對稱性。將量測兩種元件在不同偏壓下的偏振螢光光譜，來驗證應變 不對稱性是否會影響精細結構分裂。

1377.6 1377.8 1380.6 1380.8 1381.0 Bi-exciton

Exciton

Intensity (a.u.) 300V

[110] 

x

[1-10] _y

Energy (meV)

1377.2 1377.4 1380.2 1380.4 1380.6

Intensity (a.u.) 0V

[110] 

x

[1-10] 

y

Energy (meV)

Bi-exciton Exciton

1376.8 1377.0 1379.8 1380.0 1380.2

Intensity (a.u.) -300V

[110] 

x

[1-10] _y

Energy (meV)

Bi-exciton Exciton

【圖 4-12】 雙軸應力元件，分別在 300 V、0 V 和-300 V 時的量測偏振 螢光光譜。其中 300 V 是給樣品額外的壓縮應力；-300 V 是 給樣品額外的伸張應力。

0 20 40 60

Splitting FSR = 30GHz exciton 600V

[110] 

x

[1-10] _y

Relative Emission Frequency (GHz)

Intensity (a.u.)

0 20 40 60

Splitting FSR = 30GHz

Relative Emission Frequency (GHz)

Intensity (a.u.)

exciton 0V [110] 

x

[1-10] _y

0 20 40 60

Intensity (a.u.)

Relative Emission Frequency (GHz)

Splitting FSR = 30GHz exciton -400V

[110] 

0 20 40 60

Intensity (a.u.)

Relative Emission Frequency (GHz)

Splitting FSR = 30GHz bi-exciton 600V

[110] 

x

[1-10] _y

0 20 40 60

Intensity (a.u.)

Relative Emission Frequency (GHz)

Splitting FSR = 30GHz bi-exciton 0V

[110] 

x

[1-10] _y

0 20 40 60

Intensity (a.u.)

Relative Emission Frequency (GHz)

Splitting FSR = 30GHz bi-exciton -400V

[110] 

x

[1-10] _y

【圖 4-14】 單軸應力元件，分別在 600 V、0 V 和-400 V 時利用法布立

－培若干涉儀量測雙激子的精細結構分裂。

-400 -200 0 200 400 600 0

5 10 15 20 25

Bias (V)

S p litti n g (

e V )

-400 -200 0 200 400 600

0 5 10 15 20 25

S p littin g (  e V )

Bias (V)

【圖 4-15】 雙軸應力和單軸應力的元件，施加偏壓和精細結構分裂關係 圖。

(a) Biaxial stress

(b) Uniaxial stress

對於雙軸應力元件，施加不同偏壓來量測的偏振螢光光譜，實驗結果如

【圖 4-12】和【圖 4-15(a)】。可觀察到偏壓從+300 V 到-300 V，精細結構分 裂大小並無明顯變化。對於單軸應力元件，施加不同偏壓時利用法布立－

培若干涉儀來量測的高解析度偏振螢光光譜，實驗結果如【圖 4-13】、【圖 4-14】和【圖 4-15(b)】。可觀察到不論是激子或是雙激子，偏壓從+600 V 到 -400 V，精細結構分裂大小隨著偏壓減少而降低。可由此證實調變應變不對 稱性，能控制精細結構分裂量的大小。

為了得到量子點上應變不對稱性的量，和 4.2 節同樣使用模擬軟體 COMSOL，來模擬當 PMN-PT 產生額外應力時，位在砷化鎵內砷化銦量子 點的應變情況。對於單軸應力的元件，實驗所加的偏壓，是從+600 V 到-400 V，變化量為 1000 V；由(3.1)式可算出單軸應力元件的 PMN-PT 應變量變 化為_xx 1.47 ⁰₀₀和_yy  0.60 ⁰₀₀。模擬結果如【圖 4-16】。而模擬所得的 量子點應變量變化約為_xx 1.66 ⁰₀₀和_yy  0.68 ⁰₀₀。

0 2 4

Strain Difference (1/1000)

InAs GaAs





Strain (1/1000)

Height (nm) Height (nm)

Strain (1/1000)

Initial strain

Height (nm)

Height (nm) Height (nm)

GaAs GaAs

InAs QD 4nm

PMN-PT 將使量子點的應變不對稱性_xx_yy，增加約 2.34 ‰。而由 2.4 分裂，大致上和理論上的估計值相符；代表 PMN-PT[011]所產生的不對稱

應力，確實能夠對砷化銦造成影響，進而改變激子的精細結構分裂大小。

若 想要更加 減少精 細結構分 裂量， 則必頇提 供更大 的逆向偏 壓給 PMN-PT。但因 PMN-PT 為鐵電材料，在內部擁有內建的電偶矩。若是外加 的逆向偏壓太大時，將容易造成樣品的毀損。

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 -15

-10 -5 0 5 10 15

Th e D iffe re n c e i n S p littin g (

e V )

Strain Anisotropy (1/1000)

【圖 4-17】 應變不對稱性對激子精細結構分裂變化量之關係圖。

-400 -200 0 200 400 600

0 5 10 15 20 25

S p litti n g (  e V )

Bias (V)

【圖 4-18】 單軸應力元件；施加偏壓和精細結構分裂關係圖。線條是理 論估計的結果。圓點是實驗所量測的值。