簡介

量子點內部的載子在三個方向都受到侷限，而使其能量具有像原子般的離散 的量子化能階，表現出不同於高維度材料系的物理特性。目前在量子點雷射、發 光二極體、光偵測器等光電元件上都已經有所運用，然而，為了讓這些元件能夠 達到室溫操作，或是進一步提升元件的操作特性與可靠度，我們必須進一步了解 量子點的基本性質，尤其是溫度對量子點系統的影響。

藉著測量技術的輔助，如光激發螢光系統（photoluminescence, PL）、時間解 析光激發螢光系統等（time-resolved photoluminescence,TRPL），我們對於載子在 量子點內的行為開始有些初步的認識，最基本的問題就是當光激發後，載子如何 被捕捉進入量子點的侷限能階，以及載子在這些侷限能階的生命期等。若我們可 以清楚了解這些動態過程，便能進一步的改良與設計出更有效率的光學元件。時 間解析光激發螢光的發展讓我們實現了載子動態的研究，而隨著技術改進，我們 也更能觀察到極短時間尺度的動態訊息。

當量子點被外被光源激發而產生電子電洞對時， 這些載子會經過捕捉 (capture)、鬆弛(relaxation)和復合(recombination)三個機制而發光。量子點捕捉到 載子時，這些在載子會藉由聲子(phonon)的釋放能量，很快的從高能階鬆弛到低 能階。然後才有機會復合，產生光子。鬆弛時間很快，大約在 ps 等級，而復合 時間大約在 ns 等級。量子點在空間上、密度上及大小上隨機的生長方式，使其 光譜產生均勻寬化(homogeneous broadening)， 而量子點的螢光的溫度特性可以 由三個量測參數來研究，分別是量子點頻譜的波峰能量、強度與半高寬。

當溫度上升時，量子點頻譜的波峰能量會紅移，根據 L. Brusaferri 等人的量 測^[42]，其能量隨著溫度變化會呈現如圖 B1.1(a)的趨勢，在低溫時，量子點的波 峰能量主要受晶格膨脹的影響，其紅移的速度根據 Varshni law，此時載子在量子 點中隨意分布，到達中間溫度大約 60K 到 100K 時，因為溫度上升，載子克服了 量子點的束縛，形成自由載子在量子點中重新分布，傾向往最低能階的大顆量子 點發光，所以量子點紅移速度會變快，是低溫時 Varshni law 的四倍，而頻譜半 高寬下降，在高溫時，電子與聲子的散射主導，紅移速度回到了 Varshni law 的 機制。

W. Yang 等人^[43]量測中，將量子點的時間解析螢光光譜以一個 exponential 函數，萃取其衰減時間隨溫度的變化如圖 B1.1(b)，當中的物理機制可以和螢光 光譜做對照。在低溫時，因為載子沒有多餘的能量，量測到的衰減時間(decay time) 為定值，就是復合時間。隨著溫度上升，進入載子重新分布的溫度，因為載子往 較低能量的大顆量子點聚集，因此偵測波長為 970 nm 的衰減時間時間上升，隨 著溫度在上升，非輻射復合路徑主導，螢光強度變弱，並且衰減時間下降。

圖 B1.1 (a)量子點發光能量隨溫度變化的趨勢[42]。(b)量子點時間解析的衰減 時間隨溫度變化的趨勢[43]。

(a) (b)

近年來， B. Patton 等人^[44]以 Streak Camera 的方法研究 CdSe/ZnSe 量子點的 時間解析螢光光譜，如圖 B1.2(a)，縱軸以對數軸呈現，其斜率正比衰減時間的 倒數，也就是衰減速率，他們的時間解析螢光光譜中，有兩段斜率，他們認為低 溫時由明激子(bright exciton)主導發光，衰減時間較短，對應 15 K 的時間解螢光 光譜中的第一段斜率，然而在溫度升到約 65 K 時，在量子點系統中原本不發光 的暗激子(dark exciton)，藉由自旋翻轉的機制，重新填入明激子能階而形成第二 個發光路徑，其衰減時間較長，對應時間解析光譜中第二段斜率，當溫度繼續增 加至 100 K，量子點系統才又進入載子重新分布與非輻射復合等機制而衰減時間 下降。G. Sallen 等人^[45]在 CdSe/ZnSe 量子點也量到類似的非典型的溫度相依螢 光光譜，如圖 B1.2(b)。

除了二六族量子點，I. Favero 等人^[46]在 InAs/GaAs 量子點的溫度相依時間解 析螢光光譜中，也有觀察到類似的現象，隨著溫度上升，暗激子自旋翻轉重新補 充(dark exciton reloading)明激子的第二路徑主導發光，與前面圖 B1.1(b)的典型量 子點單一斜率不同。因此研究這樣的物理現象有助於了解自旋翻轉機制以及自旋 鬆弛時間，並達到保存自旋，做出自旋元件的目標。

圖 B1.2 CdSe/ZnSe 量子點的時間解析螢光光譜[44][45]。

(a) (b)