實驗結果與討論

本章中，我們將分三個部份來探討，主要都是分析、比較不同大小量子點，第一部份為改變雷射激發功率，觀察不同激發功率下螢光光譜的變化，

第二部份是改變雷射激發波長量測得螢光激發光譜並且針對不同偵測能量和改變磁場下進行量測分析，最後一個部份是將量測到的螢光激發光譜和 PL 光譜進行疊圖分析比較不同大小量子點載子內部躍遷情形。

5-1 Power-depentdent 穩態 PL 量測與分析

實驗中，我們利用共焦顯微光激螢光系統進行變化激發功率穩態螢光光譜量測，量測時我們利用波長為 632.8nm 內建 He-Ne Laser 當作激發光源，

並且利用在光學路徑上的 ND Filter 的改變來改變雷射激發功率。

圖 5.1 和圖 5.2 分別是樣品一(LM4683)和樣品二(LM4630)激發功率為 50W/cm²和 500W/cm²300K 條件下所量測到的穩態螢光光譜圖，由圖 5.1 我們可以知道樣品一量子點基態(n=1)放光位置大約在 1213nm (1.022eV)、第一個激發態放光位置約在 1143nm(1.084eV)，圖 5.2 可見樣品二量子點基態 (n=1)放光位置約在 1116nm (1.11eV)。

1000 1100 1200

1ES

Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

LM4683 (QDs) , 300K 50 W/cm2 (2uW)

圖 5.1、樣品一(LM4683)穩態 PL 光譜

800 900 1000 1100 1200

Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

LM4630(QDs), 300K

500 W/cm2 (20uW)

圖 5.3 和圖 5.4 分別為樣品一(LM4683)和樣品二(LM4630)在改變激發功率下所量測到的穩態螢光光譜圖，激發功率由 50000W/cm² 變化到 500W/cm²。由圖可知，改變雷射激發功率時，穩態螢光光譜強度也跟著改變，

做此項量測最主要的目的為可以得到量子點激發態能階位置及激發態之數目。當雷射激發功率增加時，雷射打到樣品後產生電子數目增加，故電子填滿基態能階後便會往激發態能階進行填充，即會產生激發態螢光光譜，

並繼續增加激發功率激發態強度也隨之增強，當此激發態填充飽和後會更進一步填入更高能階的激發態，那麼將可以在螢光光譜圖中看見單個或多個激發態的 peak。

圖 5.3 樣品一(LM4683)，可見當激發功率增加，除了穩態螢光光譜強度增加外，峰值位置也有些微紅移現象(Red shift)，主要的可能為高激發功率激發樣品時，雷射對樣品有局部加熱的現象(Laser Heating)所導致的 [5.1]。

圖 5.4 樣品二(LM4630)則相反，當激發功率增加，穩態螢光光譜強度也跟著增加但峰值有明顯的藍移現象(blue shift)，一般來說，此種 type Ι 量子點，螢光光譜隨著雷射激發功率增加而藍移，主要是因為量子點內部有限能態密度所造成的 Band Filling Effect，但是此效應所造成藍移位移量約只有 1-2 meV[5.2]，此說法和我們的螢光光譜圖有些許差異。故我們假設電子在填入量子點後有重新分配的行為最後在進行輻射復合，由於電

洞等效質量大於電子，所以電洞波函數在量子點內較為集中，掉入量子點後也不會有重新分配的行為。當增加雷射激發功率時，產生電子電洞對也相對增加，首先，低基態能量量子點會先被填滿，剩下的電子則會往其他高基態能量進行填充，所以峰值會往高能量移動，產生藍移現象。重新分配現象可能來自於電子穿隧通過 GaAs Barrier 進入到附近的量子點內，產生穿隧效應，由於樣品二又是高密度量子點，電子重新分配效應也更為明顯，所以在我們變化激發功率下，才會有如此明顯的藍移現象。

800 900 1000 1100 1200

In te nsity (a .u .)

Wavelength (nm)

LM4683 (QDs) ,300K 50000 W/cm2

(

2mW

)

800 900 1000 1100 1200

LM4630 (QDs) ,300K 50000 W/cm2 (2mW)

5-2 PLE 量測與分析

螢光激發光譜實驗，主要是利用國家奈米元件中心低溫高磁實驗室中的儀器設備進行量測，激發光源部份是使用連續式 Ti-Sapphire Laser，先前章節裡也稍有介紹過此雷射基本原理，實驗中將調變雷射激發波長並固定雷射激發功率，使得整體實驗只受單一變化參數，同時溫度控制在 1.4K 左右，解析度為 1nm 量測一點下進行量測。

圖 5.5 為樣品一(LM4683)量子點在 1.4K 下 PL 和 PLE 光譜圖，PL 光譜激發能量在 1.42365eV，而 PLE 光譜圖偵測能量為 1.10269eV，此偵測能量等於 PL 光譜圖中基態放光最高峰值位置。在 PLE 圖中可看到在 1.5eV 以後會有一個很強的 peak，此 peak 為 GaAs 的訊號，在 1.4-1.5eV 之間有兩個 peaks，此兩個 peaks 分別為 2D Wetting Layer 重電洞(heavy hole)及輕電洞(light hole)，位於較高能量的 peak 為輕電洞，較低能量 peak 為重電洞[5.3-5.4]，以上這三個 peaks 不是本論文要討論的範圍，本論文主要探討的範圍為 1.2-1.4eV 之間的 peaks 所造成的載子躍遷情形。

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

LM4683 (QDs) 1.4K

PL

Eexe=1.42365eV

PLE

Edet=1.10269eV

Photon Energy (eV)

In tens ity ( a rb. units )

圖 5.5、樣品一(LM4683)大顆量子點 PL 和 PLE 圖

100 150 200 250 300 350 400 450

GaAs Light Hole LM4683 (QDs)

Edet=1.10269eV 1.4K

Int ensit y (arb. unit s )

deltaE ( Eexe-Edet ⁾ (meV)

Heavy Hole

圖 5.6 為圖 5.5 縱軸為螢光強度取對數作圖，橫軸為螢光激發能量和偵測能量差值，由於雷射最大可調激發能量和螢光光譜基態偵測能量差值較大，故橫軸差值只能到 136meV 無法繼續再往下進行量測。此 PLE 圖可見有兩個 peaks，分別在 158meV 和 222meV，此兩個 peaks 半高寬都相當寬。圖 5.7 為變化五個偵測能量的 PLE 圖，不同偵測能量所代表的是在同一樣品中量子點會因為大小、形狀等因素造成的不均勻分佈，所以 PL 光譜不會呈現完美δ function，而是呈現高斯分佈，經由文獻上[5.5]可以證實，此高斯分佈是由不同大小單一量子點所造成的。PLE 圖中，158meV 和 222meV 這兩個 peaks 會因為偵測能量的改變而有所變化，故我們推測這兩個 peaks 是激發態所造成的。為了更進一步驗證此推測，故進行變磁場 PLE 光譜量測，如圖 5.8，經由變磁場量測可以確切看到 158meV peak 會隨著磁場上升而有分裂現象，222meV peak 則會隨著磁場上升而有些微藍移現象(Blue shift)。

經由文獻可知[5.6-5.7]，零維量子點結構在磁場的狀態下能階改變量由 Zeeman splitting 和反磁位移(diamagnetic shift)兩項決定，如式 5.1：

 E ( B )  E

zeeman

 E

dia _，(5.1)

上式

m

_l 是零維量子點結構的角動量量子數；e 為電子電量=1.6×10^-19C，有 Zeeman slitting 能階改變量，故必須考慮反磁位移，14T 下約 1-2meV 位移量也符合實驗值，如圖 5.8 所示，藉由上述結果，可以更加確切驗證 158meV 和 222meV 這兩個 resonant peaks 是由樣品一激發態造成的。

100 150 200 250 300 350

1.05 1.10 1.15 1.20 1.25

A B C D

Intensity (arb. units)

Photon Energy (eV) LM4683 (QDs)

Intensi ty (arb. uni t)

delta E ( E

exe

-E

det

) (meV)

Edet=1.08535eV (A) Edet=1.09104eV (B) Edet=1.10418eV (C) Edet=1.11762eV (D) Edet=1.1345eV (E) LM4683 (QDs)

1.4K

圖 5.7、樣品一(LM4683)大顆量子點不同偵測能量 PLE 圖

100 150 200 250 300 350

I nt ensit y (arb. unit )

delta E ( E

exe

-E

det

) (meV)

LM4683 (QDs)

Edet =1.10269eV , 1.4K 0T

圖 5.9 為樣品二(LM4630)量子點在 1.4K 下 PL 和 PLE 圖，PL 激發能量為 1.531eV，可看到 PL 光譜圖中基態最大放光位置在 1.198eV，故將此能量當作 PLE 偵測能量進行量測分析，PLE 圖中 Wetting Layer 輕電洞和重電洞及 GaAs 位置和樣品一相似，而後也是探討 1.2-1.4eV 間 peaks。

同樣地，將圖 5.9 縱軸螢光強度取對數作圖，橫軸為激發能量和偵測能量的差值得到圖 5.10，圖中橫軸只到 30meV，同前，因為雷射可調最大能量極限導致而成。在 35meV 有一明顯地 peak，此 peak 為 Phonon feature 可對應到許多文獻上發表過的，為 1 個 InAs 和 GaAs Interface Phonon[5.8-5.9]。

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

PLE

Edet=1.198eV

PL

Eexe=1.531eV

Photon Energy (eV)

Intensity (N ormalized)

LM4630 (QDs) 1.4K

圖 5.9、樣品二(LM4630)小顆量子點 PL 和 PLE 圖

0 100 200 300

GaAs Light Hole LM4630 (QDs)

Edet=1.198eV 1.4K

Intensity ( a rb. uni t)

delta E ( E

_exe

-E

_det

) (meV)

Heavy Hole

圖 5.10、樣品二(LM4630)小顆量子點取對數 PLE 圖

圖 5.11 為樣品二(LM4630)在 1.4K 下改變五個偵測能量所得 PLE 圖，即使在不同偵測能量下，35meV peak 位置並不會有所改變，所以可以加以證實是 Phonon feature 所造成的。

圖 5.12 為樣品二(LM4630)在 1.4K 下變磁場量測到的 PLE 圖，圖中也可見，35meV peak 位置並不會隨磁場改變而有所變化，不同於樣品一 peaks 會隨磁場上升而有分裂的情形，再次證實它是 Phonon feature。

0 50 100 150 200 250 300 350 400

1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 D

A E B

Intensity (arb unit)

Energy (eV)

Intensity (arb. units)

delta E (E

_det

-E

_exe

)

Intensity (arb. units)

delta E (E

_ex

-E

_det

) (meV)

LM4630 (QDs) , 1.4K Edet=1.197eV

5-3 PL 和 PLE 疊圖分析

圖 5.13 和 5.14 分別是樣品一(LM4683)大顆量子點和樣品二(LM4630)小顆量子點 PL 和 PLE 疊圖，橫軸為激發能量和偵測能量差值，偵測能量都是 PL 圖中基態最高峰值，再以 Wetting Layer 當作零點作圖，縱軸為螢光強度。PL 譜線是在 300K 下激發能量為 1.959eV(633nm)，解析度為 0.5nm 量測一點且激發功率在 50000W/cm²下量測所得；PLE 譜線是在 1.4K 固定激發功率，解析度為 1nm 量測一點下量測所得，其中樣品一偵測能量為 1.10269eV，樣品二偵測能量為 1.238eV。

圖 5.13 PLE 譜線可明顯看到，前一小節中，變磁場及改變偵測能量證實的兩個激發態 resonant peaks，和 PL 疊圖更明確知道這兩個激發態分別

是樣品一(LM4683)大顆量子點第二個激發態 2Ph-2Pe (

m

l₌

_ ₁

_{)及第三個激}

發態 4Sh-4Se(

m

l =0)所造成的。圖 5.14，首先從 PL 譜線上可見樣品二在距離 Wetting Layer 115meV 位置上有一個激發態，但是 PLE 譜線中並不能看到類似樣品一激發態所造成的 resonant peak，而是隨機的 background 訊號，這個說法也可以經由圖 5.11 變偵測能量看到這些訊號並不會像樣品一激發態一樣會隨著偵測能量的不同而有規則的變化，再經由圖 5.12 變磁場下也可看到這些隨機的訊號，故可以證明這些隨機的 background 訊號並

非是激發態所造成的 resonant peak，更不是 phonon feature peaks，故將它定義為 quasi-continuum 吸收所造成的 background 訊號。

此定義可以從許多文獻中証實，Toda et al.、C.Kammerer 和 Vasanelli 等人分別利用近場光學、PLE 和理論計算得知 PLE 量測可以觀察到量子點的能帶密度逐漸增加至濕潤層吸收邊緣，使 PLE 譜線會產生一個逐漸增加至濕潤層的 background 訊號而這訊號主要是因為 quasi-continuum (crossed transitions) 所造成的 [5.10-5.12] 。 Quasi-continuum 是 cross -transition 的吸收訊號，cross-transition 所指的是，如圖 5.15，(1) Wetting layer 價帶電洞能態(Wh)至導帶第一個分立能階(1Se) (2) 價帶第一個分立能階(1Sh)至 Wetting layer 導帶電子能態(We)，兩種吸收訊號稱之。

最後我們經由理論計算可以得知，樣品一 quasi-continuum 邊緣位於 1.1368 eV，距離 Wetting Layer 211meV 位置上，樣品二 quasi-continuum 邊緣位於 1.224771 eV，距離 Wetting Layer 106meV 位置上，已分別標記在圖 5.13 和 5.14 上。

-400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150

Intensity (arb. units)

4Sh-4Se

Intensity ( a rb . units)

deltaE ( E

_exe

-E

_det

) (meV)

圖 5.15、Crossed transitions 示意圖

樣品一(LM4683)大顆量子點和樣品二(LM4630)小顆量子點的 PLE 量測結果有很大的不同，樣品一 PLE 譜線和偵測能量沒有符合數個 phonon，但是改變磁場後，能階會有分裂現象，樣品二 PLE 譜線和偵測能量既不符合數個 phonon，改變磁場也不會有分裂現象，故我們將其隨機 background 訊號解釋為 quasi-continuum 造成的，為了解釋兩種不一樣的情況，我們將利用文獻[5.13]所繪的鬆弛圖型來做解釋。

零維量子點結構中會有分立能階、連續能階和 quasi- continuum 的存在，由於雷射激發能量剛好被量子點分立能階吸收，但是此分立能階的能量會在 quasi-continuum 能階之間，這個說法由 2002 年 Vasanelli A 提出 [5.12]，利用理論計算得知分立能階能量是有可能會比 quasi-continuum 能階能量還高，圖 5.17。由圖所示 WLh-1Se 表示 quasi-continuum 的吸收會在 355me 左右，而 1Sh-2Se 等分立能階吸收都位於 quasi-continuum 上

1Sh 1Se

Wh

We

方。因此，如圖 5.16，當實驗中雷射激發能量剛好等於分立能階能量

在文檔中不同尺寸銦化砷銦化鎵量子點的光學特性研究 (頁 92-118)

5-1 Power-depentdent 穩態 PL 量測與分析

Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

LM4683 (QDs) , 300K 50 W/cm2 (2uW)

Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

LM4630(QDs), 300K

500 W/cm2 (20uW)

In te nsity (a .u .)

Wavelength (nm)

(

)

5-2 PLE 量測與分析

LM4683 (QDs) 1.4K

PL

PLE

Photon Energy (eV)

In tens ity ( a rb. units )

GaAs Light Hole LM4683 (QDs)

Edet=1.10269eV 1.4K

Int ensit y (arb. unit s )

deltaE ( Eexe-Edet ) (meV)

Heavy Hole

 E ( B )  E

 E

m

Intensi ty (arb. uni t)

delta E ( E

-E

) (meV)

I nt ensit y (arb. unit )

delta E ( E

-E

) (meV)

PLE

PL

Photon Energy (eV)

Intensity (N ormalized)

Intensity ( a rb. uni t)

delta E ( E

-E

) (meV)

Intensity (arb. units)

delta E (E

-E

)

Intensity (arb. units)

delta E (E

-E

) (meV)

5-3 PL 和 PLE 疊圖分析

m

 1

m

Intensity (arb. units)

Intensity ( a rb . units)

deltaE ( E

-E

) (meV)

1Sh 1Se

Wh

We

deltaE ( Eexe-Edet ⁾ (meV)

_ ₁