生长在硅衬底上的薄GaAsN纳米线管中的单光子发射器

《ACS Nano》：Single Photon Emitters in Thin GaAsN Nanowire Tubes Grown on Si

纳米线异质结光电特性研究：III-V纳米线通过等离子辅助MBE在Si(111)衬底上成功制备了GaAs/GaAsN/GaAs核壳结构，氮浓度达2.7%并实现晶格失配调控。TEM证实纳米线具有无缺陷闪锌矿相和对称核壳结构，PL光谱显示GaAsN壳层发射带隙降低400meV。时间相关光致发光和双光子相关函数测量表明，量子点态在5K下实现了单光子发射，g2(0)值低至0.04-0.063，为硅基量子光子器件提供了新材料体系。

　　半导体纳米线异质结构因其独特的物理特性，在未来量子光子器件的芯片集成应用中展现出巨大潜力。这些纳米线不仅能够作为单光子和纠缠光子的来源，还能够克服传统平面外延层中晶格失配的限制，实现径向和轴向方向上的量子结构调控。本研究通过等离子体辅助分子束外延（MBE）方法，在硅（111）基底上生长了薄层GaAs/GaAsN/GaAs核-多壳纳米线。这种结构成功解决了氮（N）溶解度低和晶格失配高的问题，使纳米线具备高结构质量与优异的光学性能。

纳米线的GaAsN壳层厚度为10纳米，其中包含约2.7%的氮元素，这使得GaAs的带隙显著降低，减少了约400毫电子伏特（meV）。同时，纳米线具有对称的核-壳结构和清晰的界面，且没有缺陷，呈现出闪锌矿（ZnS）结构。这种高结构质量使得纳米线在低温下能够实现强烈的、狭窄的激子发射，并且在连续和脉冲激发下，表现出非常低的二阶自相关函数（g2(0))值，如0.05，这表明其具备单光子发射的特性。

纳米线的独特几何结构使其成为研究量子光源的理想平台。相较于传统薄膜材料，纳米线可以更方便地实现III-V族半导体材料的高性能单光子发射。通过在硅基底上进行自下而上的生长，纳米线能够有效缓解晶格失配问题，同时其高表面积-体积比使得可以容纳二维应变，从而有利于生长具有高晶格失配材料的核-壳异质结构。此外，纳米线生长过程中，长程应变场的缺陷（如空位和位错）通常被吸引至表面，使得纳米线在结构上更加纯净，减少了点缺陷和线缺陷对载流子迁移率和寿命的影响。

在纳米线壳层中，由三元合金（如GaAsN）构成的结构，可以通过径向方向上的合金组成变化来补偿应变。这使得纳米线能够维持较高的晶体质量，同时实现对带隙的精细调控。本研究通过控制纳米线直径和氮浓度，成功实现了高纯度的单光子发射，这为未来基于纳米线的量子光子器件提供了新的材料系统。目前，基于GaAsN的纳米线单光子发射尚未被报道，而本研究通过纳米线的薄壳结构和高晶格质量，首次实现了这一目标。

在本研究中，纳米线的结构和性能得到了系统的分析。首先，通过透射电子显微镜（TEM）和超微切片技术，对纳米线的轴向和径向结构进行了详细研究。TEM图像显示，纳米线具有纯闪锌矿结构，仅在底部和顶部存在孪晶面和堆垛层错。这些结构特征与纳米线的直径和生长条件密切相关。同时，纳米线的壳层厚度与设计值非常接近，且具有均匀的氮浓度分布。通过能量色散X射线光谱（EDX）和几何相位分析（GPA）方法，进一步验证了纳米线壳层中的氮浓度约为2.9%，与PL数据一致。

在光学性能方面，纳米线表现出优异的激子发射特性。通过微区光致发光（μ-PL）测量，发现纳米线在低温下具有非常窄的激子发射线，且在不同激发功率下，发射线宽度和位置均表现出可预测的变化。这表明纳米线中的激子发射具有良好的稳定性。同时，通过时间分辨PL（μ-TRPL）测量，发现纳米线的激子寿命较长，约为6纳秒，这与传统量子点光源的寿命相比具有显著优势。此外，通过二阶自相关函数（g2(0))测量，进一步确认了纳米线中的量子点能够实现高纯度的单光子发射，其g2(0)值在连续波（CW）激发下为0.063，在脉冲激发下为0.044，远低于单光子发射的阈值。

在实验过程中，纳米线的生长和表征方法得到了详细研究。首先，通过等离子体辅助MBE方法，在硅（111）基底上实现了GaAs/GaAsN/GaAs核-多壳纳米线的生长。生长过程包括在高温下进行Ga辅助的VLS生长，形成GaAs核心；随后，在低温下进行VS生长，形成GaAsN和GaAs壳层。为了确保Ga纳米颗粒的均匀性，采用原位表面处理（SMP）方法，包括在高温下退火、Ga沉积和再次退火。这些步骤有效提高了纳米线的结构质量，并确保了其在生长过程中不会因氮的溶解度低而影响Ga的迁移率。

在纳米线的表征方面，采用了高分辨率TEM和EDX技术。TEM图像显示，纳米线具有纯闪锌矿结构，仅在底部和顶部存在少量的WZ相。EDX测量进一步确认了纳米线壳层中的氮浓度约为2.9%，与PL数据一致。此外，通过几何相位分析（GPA）方法，验证了纳米线中的应变分布，这有助于理解纳米线带隙的调控机制。

在光学测量方面，采用532纳米固态激光器（DPSS）进行微区光致发光（μ-PL）测量，控制激发功率以减少纳米线的加热和损伤。光信号通过100倍物镜聚焦，形成约750纳米的衍射极限光斑。信号收集采用背散射几何结构，通过0.75数值孔径（NA）的显微镜物镜进行采集，然后通过0.5米长的光谱仪进行分散，并由液氮冷却的CCD和InGaAs探测器进行检测。所有测量均进行了设置的光谱响应归一化处理，使用已知光谱的黑体光源作为参考。

在二阶自相关函数（g2(0))测量中，采用Hanbury Brown和Twiss（HBT）装置，将光信号通过光谱仪的出口狭缝限制在1.5纳米的波长范围内，以确保仅测量量子发射器的信号。分散后的信号通过抛物面镜进行准直，进入HBT装置，由两个50/50分束器将光信号分成两个分支，分别由两个硅雪崩光电二极管（APD）收集，并与时间相关单光子计数（TCSPC）模块进行接口。TCSPC模块的最大分辨率为4皮秒，而整个系统的时分辨率为约500皮秒，主要受限于APD的响应时间。通过将测量结果与无单光子发射行为的InP样品的共现计数进行比较，消除了系统交叉干扰导致的光子簇集现象。

在时间分辨PL测量中，采用超连续谱脉冲激光器，其脉宽为50皮秒，重复频率为39 MHz，并通过声光调制器调谐至520或525纳米波长。在激发路径上设置的光束采样器提供了START信号，用于测量光子到达时间差。PL信号聚焦于单个APD，提供STOP信号。通过这些测量，可以确定发射体的寿命，且由于寿命远大于仪器响应函数（420皮秒），因此无需进行去卷积处理。

综上所述，本研究通过等离子体辅助MBE方法，在硅基底上成功生长了高纯度的GaAs/GaAsN/GaAs核-多壳纳米线，实现了单光子发射。这些纳米线具有良好的结构质量、均匀的氮浓度分布和优异的光学性能，为未来基于硅的量子光子器件提供了新的材料系统。通过控制纳米线的直径和氮浓度，成功实现了量子点的高纯度单光子发射，其二阶自相关函数（g2(0))值远低于单光子发射的阈值，表明其具备良好的单光子特性。这些结果不仅为纳米线作为量子光源的研究提供了新的方向，也为未来量子光子器件的集成应用奠定了基础。