偏振不對稱性 (Polarization anisotropy)

比較 4.2.1 節中，實驗量測得到單量子點偏振螢光光譜，以及 2.2 節中 經由計算模擬得到的激子偏振螢光光譜，可以發現前者的譜線中，x和_y的 螢光強度通常不相同，如【圖 4-9 (a)】，激子訊號中_x螢光強度明顯較_y螢 光強度強；然而【圖 2-1】顯示，根據計算模擬的結果，這兩個極化方向的 螢光強度應該要相等。因此，為了進一步分析螢光強度與偏振方向的關係，

我們量測單量子點在各個偏振方向下的偏振螢光光譜，以觀察激子螢光在 不同偏振方向時的強度變化，得到量子點 B 激子的偏振螢光光譜如【圖

1340 1350 1360 1370 1380 1390 1400 1410 1420 -40

-20 0 20 40 60 80 100

-40 -20 0 20 40 60 80 100

QD C QD D

 FS

(

eV )

X Peak Energy (meV)

QD B

【圖4-8】 量子點的激子能量對精細結構分裂關係圖。

4-9】。

(a)

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 0

3 6 9 12 15

Intensity (1k counts/s)

Polarization (degree)

(b)

0.0 5.0k 10.0k

0 30 60 90

120

150

180

210

240

270

300 330 0.0

5.0k

10.0k QD B

Polarization anisotropy =26%

(c)

【圖4-9】 在量子點 B 中，偏振角對激子螢光強度關係圖(a)和極化圖 (b)。以及量子點偏振方向示意圖(c)。





y





【圖 4-9 (a)】顯示，激子螢光強度會隨著偏振方向的改變而呈現週期 性的變化，再藉由【圖 4-9 (b)】可以明顯看出激子螢光在水平偏振方向

(0°-180°) 的強度較強；若與【圖 4-9 (c)】對照，可發現在量子點 B 中，極 化方向平行於量子點短軸的激子螢光強度較強。像這樣，激子螢光譜線中 不同極化方向的線偏振光其強度有所差異，稱為偏振不對稱性 (Polarization

anisotropy)，或是線偏振程度 (Degree of linear polarization)，不對稱的程度 以 P_L值決定[13]，P_L定義為

   

 

 

L I I

I P I











  。 (4.1)

利用(3.17)式，可得量子點 B 激子螢光的偏振不對稱性 P_L = 26%。

除了原本就有精細結構的中性激子，我們量測量子點 B 的正激子發現，沒 有精細結構的帶電激子也存在偏振不對稱性。如【圖 3-11】所示，在量子 點 B 中，激子和正激子具有相同的偏振不對稱性。因此我們推測，偏振不 對稱性可能來自於應變對量子點的影響，造成價電帶混合，因此同一個單 量子點產生的光激螢光，偏振不對稱性皆相同。

但實驗結果也顯示，不同量子點之間，激子螢光的偏振不對稱性都不 甚相同。有些量子點的激子螢光強度幾乎不隨偏振角改變，偏振不對稱性 很小。如【圖 4-11 (a)】的量子點 D，其激子螢光的偏振不對稱性 PL =3.9%；

另外，由【圖 4-11 (b)】可觀察到，量子點 C 的激子螢光以_y的強度較強，

此結果與大部分量子點相反，因此其偏振不對稱性為負值，PL = -1.4%。

統計本實驗中單量子點的激子螢光偏振不對稱性，可得【圖 4-12】。

觀察【圖 4-12】可以發現隨著單量子點激子能量的升高，其偏振不對稱性 有變小的趨勢，而且可能變為負值。在本實驗中，量測到偏振不對稱性的

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0 1 2 3 4 5

X

Intensity (1k counts/s)

Polarization (degree) X⁺

【圖4-10】 在量子點 B 中，改變不同偏振角時，激子與正激子的螢光強 度變化圖。

範圍介於 -2 %到 26 %之間。

Intensity (counts/s)

Polarization (degree) QD D

QD D Polarization anisotropy =3.9%

(b)

Intensity (counts/s)

Polarization (degree)

QD C Polarization anisotropy =-1.4%

【圖4-11】 (a) 在量子點 D 中，偏振角對激子螢光強度關係圖和極化圖。

以及(b) 量子點 C 中，偏振角對激子螢光強度關係圖和極化 圖。

偏振不對稱性的存在，由 2.3 節的推導已知是由價電帶混合效應所引起。

此外，由【圖 2-2】觀察可知，激子的精細結構分裂小於₁的0.08meV，此 結果顯示精細結構分裂已不單純由₁決定。價電帶混合效應不但造成激子 的偏振不對稱性，同時也影響激子的精細結構分裂。【圖 4-13】為量子點 的激子精細結構分裂對偏振不對稱關係圖。【圖 4-13】顯示單量子點激子 螢光的精細結構分裂，隨著螢光偏振不對稱性的增加，也有增大的趨勢。

1340 1360 1380 1400 1420 -5

0 5 10 15 20 25 30

QD D QD C

X Peak Energy (meV) Polarizat ion anisot ropy (%)

QD B

【圖4-12】 量子點的激子能量對偏振不對稱性關係圖。

利用(2.23)式中H_ex的解析解，可以做更進一步的分析。在弱價電帶混合

X Polarization Anisotropy (%)

【圖4-13】 單量子點激子螢光之偏振不對稱性對精細結構分裂關係圖

A

B

C

其中

相反的，若量子點抽長方向與受應力方向垂直，意即_d _s /2；並且假

C 區量子點，由於其激子螢光偏振不對稱性為負值，代表量子點伸長方向 與受應力作用方向相同。同時由【圖 4-11(b)】我們知道，C 區量子點伸長 方向沿[110]方向。由於量子點伸長方向的反轉，使得長程交換作用能₁為 負值，造成精細結構分裂為負值。