在半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的量子受限Stark效應(yīng)中（quantum-confined Stark effect, QCSE），外加電場能夠?qū)﹄娮雍涂昭ǖ牟ê瘮?shù)重疊程度進(jìn)行調(diào)控，從而誘導(dǎo)出激子的復(fù)合能量、振子強(qiáng)度和熒光壽命的有效變化。對于采用化學(xué)方法合成的傳統(tǒng)膠體納米晶材料，QCSE已經(jīng)在納米棒、納米線和納米片這些具有非對稱結(jié)構(gòu)的弱量子受限體系中被觀察到，并在電光調(diào)制、電壓傳感、光學(xué)存儲(chǔ)和生物成像等傳統(tǒng)領(lǐng)域獲得了初步的應(yīng)用。相較于已經(jīng)被研究幾十年的金屬硫化物材料，膠體鈣鈦礦納米晶在2015年左右才被成功合成出來，但在短時(shí)間內(nèi)相繼展示出高純度單光子發(fā)射、無熒光閃爍和光譜漂移、超窄譜線寬度和穩(wěn)定精細(xì)能級結(jié)構(gòu)等優(yōu)異的單粒子光學(xué)特性。對于具有對稱結(jié)構(gòu)的立方體鈣鈦礦納米晶，其在各個(gè)方向的尺寸要接近甚至大于材料的玻爾直徑，這就為進(jìn)行QCSE的研究提供了一個(gè)新型的弱量子受限體系。在近期工作中，南京大學(xué)物理學(xué)院的王曉勇教授、肖敏教授課題組和舒大軍教授課題組采用實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的方式，首次實(shí)現(xiàn)了對單個(gè)鈣鈦礦CsPbI3納米晶在4 K低溫下的QCSE研究，揭示出其中永久偶極矩的存在并消除了激子的精細(xì)能級劈裂。 v?}/WKe+0  
sy~mcH:%+  
JP#m}W  
如圖1(a)所示，課題組制備了寬度為10 μm和間距為5 μm的叉指電極并將單個(gè)鈣鈦礦納米晶放置于其間，在激光激發(fā)下可以在圖1(b)中看到具有垂直線偏振特性的熒光雙峰，來自于單激子的精細(xì)能級劈裂。在正常的QCSE過程中，對于單個(gè)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)施加正向和反向電場時(shí)都會(huì)引起電子和空穴的波函數(shù)分離，從而導(dǎo)致所發(fā)射光譜產(chǎn)生對稱的紅移現(xiàn)象。在圖1(c)中，課題組發(fā)現(xiàn)單個(gè)鈣鈦礦納米晶的熒光光譜在負(fù)向電場加大的情況下確實(shí)發(fā)生了紅移，但在正向電場加大時(shí)卻觀察到了反常的藍(lán)移現(xiàn)象，由此推斷出永久偶極矩的存在。該永久偶極矩在納米晶中產(chǎn)生的內(nèi)建電場與外加反向電場方向一致，在后者強(qiáng)度增加時(shí)會(huì)加大電子和空穴波函數(shù)的空間分離而造成光譜紅移；在外加正向電場強(qiáng)度加大時(shí)，會(huì)部分抵消該內(nèi)建電場所造成的電子和空穴波函數(shù)的空間分離，從而引起光譜藍(lán)移的現(xiàn)象。由于旋涂到樣品基片上的不同納米晶會(huì)具有不同的永久偶極矩取向，其在同樣外在電場的變化下會(huì)產(chǎn)生不同的熒光譜線紅移或藍(lán)移響應(yīng)。如圖1(d)所示，在-90 kV/cm的電場強(qiáng)度下，課題組可以將激光光斑處的兩個(gè)鈣鈦礦納米晶熒光峰位調(diào)節(jié)到相同位置，從而準(zhǔn)備出發(fā)光波長具有不可區(qū)分性的兩個(gè)單光子發(fā)射源。通過第一性原理計(jì)算，課題組認(rèn)為納米晶表面存在的應(yīng)力會(huì)造成其從對稱向非對稱結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，由此產(chǎn)生的自發(fā)極化不連續(xù)性最終導(dǎo)致了永久偶極矩和內(nèi)建電場的出現(xiàn)。 D .E
>Y  
XS>4efCJ  
&}WSfZ0{  
如圖1(c)所示，當(dāng)單個(gè)鈣鈦礦納米晶的熒光峰位在外加電場作用下發(fā)生紅移時(shí)，課題組還觀察到短波長發(fā)射峰會(huì)逐漸接近長波長發(fā)射峰，最終造成了單激子精細(xì)能級劈裂的消失。在激光激發(fā)功率提高的情況下，課題組在單個(gè)鈣鈦礦納米晶中同時(shí)生成了單激子（X）和雙激子（XX），并在圖2(a)中測量了兩者的熒光峰位同時(shí)隨外加電場變化的光譜圖像。在圖2(b)所示的無外加電場情況下，XX的單態(tài)向X的雙態(tài)以及X的雙態(tài)向基態(tài)的躍遷會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)線偏振方向相互垂直的光子對，分別對應(yīng)于XX的長波長峰和X的短波長峰，以及XX的短波長峰和X的長波長峰。在圖2(c)中的-53 kV/cm電場強(qiáng)度下，X的雙態(tài)精細(xì)能級結(jié)構(gòu)被消除，由此產(chǎn)生了來自于X和XX的同時(shí)單峰發(fā)射。此時(shí)對于單個(gè)鈣鈦礦納米晶所發(fā)射的一個(gè)光子對（分別來自于XX和X），測量得到其中一個(gè)光子的線偏振狀態(tài)才能判斷出另外一個(gè)光子的線偏振狀態(tài)，即兩個(gè)光子處于偏振糾纏。 Li}yK[\]  
|yS4um(w  
綜上所述，課題組在單個(gè)鈣鈦礦納米晶的QCSE研究中揭示出永久偶極矩的存在，從而為類似鈣鈦礦材料在光電器件中的應(yīng)用凝練出一個(gè)需要重點(diǎn)審視的基礎(chǔ)物理問題。另外，課題組通過施加電場實(shí)現(xiàn)了對單個(gè)鈣鈦礦納米晶精細(xì)能級結(jié)構(gòu)的消除，從而為下一步基于該材料體系實(shí)現(xiàn)可見光波段的糾纏光子對發(fā)射準(zhǔn)備了最為關(guān)鍵的光譜要素。上述研究成果以“Probing Permanent Dipole Moments and Removing Exciton Fine Structures in Single Perovskite Nanocrystals by an Electric Field”為題，以南京大學(xué)為第一作者單位和第一通訊單位發(fā)表在近期的《物理評論快報(bào)》上（Phys. Rev. Lett. 2021, 126, 197403）。南京大學(xué)物理學(xué)院的博士生呂碧滬（已畢業(yè)）、朱天元和唐穎為該論文的共同第一作者，王曉勇教授、舒大軍教授和肖敏教授為該論文的共同通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的平臺(tái)支持，以及科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目的資助。 /%~`B[4F  
y<Z8+/f`f  
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.197403