精細結構分裂

為分析單量子點光激螢光的極化方向，我們使用二分之一波片和偏振 晶體選擇螢光的偏振方向，測量到的光激螢光光譜如【圖 4-5】。

上圖為量測平行於樣品[110]方向和[1-10]方向得到的線偏振螢光訊號，

分別定義為_x和_y。量子點訊號中僅激子和雙激子有精細結構分裂，且其 偏振方向相反。通常，在激子螢光中，x的能量高於_y的能量；而雙激子 則是y具有較高能量。此外，正激子和負激子則都不具有精細結構。此精

1335 1340 1345 1350 1355

[110] _x

[1-10] _y XX

X

X⁺

Energy (meV) X

-QD B

【圖4-5】 量子點 B 的水平(x)和垂直(y)線偏振光激螢光光譜

1353.9 1354.3 Energy (meV)

X⁺

1353.9 1354.3 Energy (meV)

X⁺

1347.5 1347.9 Energy (meV)

XX

1344.0 1344.4 Energy (meV)

X

細結構分裂，可以由電子電洞交換作用加以解釋。

若不考慮電子-電洞交換作用，激子能態會由明激子 1 能態和暗激子

2 能態簡併而成，如【圖 4-6】所示；但實際上量子點中存在電子-電洞交 換作用，且其中短程交換作用，會造成明激子和暗激子能階分裂₀，如(2.11) 式所示。而此時激子和雙激子的螢光極化方向，經過 2.1 節的推導可知仍為 圓偏振。但由於量子點可能會因形狀不對稱 (Shape asymmetry)、應變

(Strain) 及壓電 (Piezoelectricity) 效應[17]的影響，使量子點在長軸和短軸 方向的量子侷限效應的對稱性被破壞，電子和電洞形成偶極 (Dipole) 造成 長程交換作用，使明激子能階分裂，如(2.15)式所示；此分裂即為精細結構，

由(2.14)式可知激子的精細結構分裂_FS E_ E_ ₁。另外，此精細結構只 會出現於中性激子，如激子和雙激子；對正激子和負激子等帶電激子而言，

由於其電洞或電子總自旋為零，使(2.6)式中，H_ex 0，因此不會出現精細結 構；可由此區別中性激子和帶電激子。

本實驗中所測量的量子點偏振螢光光譜，大致可分為三種類型，如【圖

4-7】所示。圖(a)為量子點 B 之譜線，其精細結構接近 0.1 meV；實驗中，

精細結構分裂定義為FS EX

 

 

從圖(b)中量子點 C 的光譜可以看出激子訊號y的能量高於x，因此其精細

結構分裂為負值。第三種則是圖(c)量子點 D 的光譜，其激子螢光的精細結 構分裂也是負值，不同的是其激子螢光能量高於雙激子螢光能量。量子點

激子螢光的精細結構分裂與激子能量的關係如【圖 4-8】，由圖中可知，隨 著激子螢光能量升高，精細結構分裂會變小，且其範圍介在-40 eV 到 100

eV 間。

【圖4-6】 在不同電子-電洞交換能及量子點對稱性的情況下，單量子點 中，激子和雙激子的能階示意圖。

(a)

1344.0 1344.4 1347.6 1348.0 0

1 2 3 4 5





y





98eV

Int ensi tu (1k coun ts)

Energy (meV)

97eV

XX X

QD B

(b)

1396.00 1396.5 1397.0 1397.5 1

2 3 4 5 6

QD C

_x _y _y _x

-23.19eV XX

Int ensi ty (1k count s)

Energy (meV) X _-26.51eV

(c)

1408.0 1408.5 1409.0 0

1 2 3 4 ^{QD D}

_x

_x

_y

Int ensi ty (1k count s)

Energy (meV)

XX X

_y -26.6eV

-22.8eV

【圖4-7】 不同量子點的偏振螢光光譜；圖(a)、圖(b)和圖(c)分別為量子 點 B、量子點 C 和量子點 D 的光譜。