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▌ARMS 在光学微腔近红外发射中的应用
利用显微角分辨光谱技术对ZnTe微带中光学微腔的近红外发射光谱表征
光学微腔
荧光发射
近红外发射
激光脉冲调制
角分辨荧光
【概述】低维 II - VI 半导体微结构因其独特的光学、电学和光电子特性及其在精密器件中新的潜在应用引起了广泛关注。作为II - VI半导体的重要成员，碲化锌（ZnTe）也被广泛应用于各种光电器件（如 LED 和光伏电池），然而 ZnTe 微结构的近红外（NIR）发射和与其自身结构相关的微腔多模峰值信号却鲜有报道。
图1，(a)ZnTe微线的光学显微镜图像(b)SEM形貌(c)EDS mapping(d)微带EDS谱
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最近，广西大学资源环境与材料学院的邹炳锁教授在 The Journal of Physical Chemistry C 杂志上发表了一篇名为《Stable Near-Infrared Light and Microcavity of the ZnTe Microbelt and Different Emission Behaviors》的文章。该文章描述了基于化学气相沉积法制备的 ZnTe 和 Fe(Ⅲ) 掺杂 ZnTe 微带（见图1），观察了不同 ZnTe 微带中 FP 腔的多模发射光谱，并利用角分辨荧光设备研究了 Fe(Ⅲ) 掺杂 ZnTe 微带在连续波和飞秒脉冲激光激发下的不同发射行为。
【样品&测试】在连续激光激发下，所有的 ZnTe 微带样品均能观察到近红外发射现象和多模峰。进一步通过激发功率和温度依赖的荧光光谱分析，证实了 ZnTe 微带结构中的Zn空位导致了其近红外发射现象（见图2）。
图2，(a)Fe(Ⅲ)掺杂ZnTe微带在室温下不同激发功率下的PL谱(b)激发功率对近带边波长位移和近红外发射的影响(c)Fe(Ⅲ)掺杂ZnTe微带随温度变化的PL谱(d)近红外发射波长偏移与温度的关系(e)带边发射和部分多模峰的PL mapping图像
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为了探究PL光谱中多模发射的原因，该文章进行了显微角度分辨发射光谱（ARPL）、PL映射实验和观测计算。两种不同的 Fe(Ⅲ) 掺杂 ZnTe 微带的室温 ARPL 光谱如图3(a，b)所示，在 2.0eV 以下出现亮条纹，对应其 PL 谱在 600~1000nm 之间出现的多模峰。ARPL 光谱显示样品具有明显的色散模式，证明了 ZnTe 微带中微腔结构的形成。ARPL谱在0°角处的PL谱可观察到多模峰的出现，且相邻两个峰之间的光子能量差几乎相同，证明了两个腔都是传统的光模式FP腔，而非极化模。
图3，两种不同微带的ARPL谱及其在0°处的PL谱
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作者进一步测试了 Fe(Ⅲ) 掺杂 ZnTe 微带在不同泵浦功率下的 PL 光谱及其近带隙发射带强度，结果显示在 7.7μW 的泵浦功率下出现了高相干共振激光模式，即 ZnTe 微带发生了从自发发射到受激发射的转变，在连续波激光激发下一直存在的近红外发射现象消失了。该测试结果表明，在飞秒激光激发下，飞秒时间尺度的激子占据主导地位，而在连续激光激发下，长寿命的俘获态占主导地位。因此可以通过改变激光脉宽来获得不同的发射态，该微结构具有优异的激光脉冲调制特性。
图4，(a)飞秒脉冲激励下ZnTe微带PL发射光谱(b)不同泵浦功率下近带隙发射带强度
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【总结】作者通过化学气相沉积法合成了具有良好光学性能的 ZnTe 微带结构，并利用复享的显微角分辨荧光测试系统 ARMS 对红外发射样品进行角分辨荧光光谱测量。测试结果证实了实验和理论分析的一致性，表明ZnTe微结构中形成了传统的光模式FP腔，且具有独特的激光脉冲调制光学特性。微掺杂集成微腔未来在纳米光子器件和量子调制领域将有广泛的应用。▌
【参考文献】
✽ Yongbo Zhou,et al.Stable Near-Infrared Light and Microcavity of the ZnTe Microbelt and Different Emission Behaviors. The Journal of Physical Chemistry C (2023.). Link
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