前沿进展 | 揭示微纳米晶格结构与离子发光之间的深层规律

01 导读

近日，西安交通大学电子科学与工程学院李峰教授团队定量揭示了单个微米晶中掺杂稀土离子的光学跃迁线偏度与晶格几何结构之间的关联性。相关成果以“Deterministic Relation between Optical Polarization and Lattice Symmetry Revealed in Ion-Doped Single Microcrystals”为题于2022年5月17日发表在ACS Nano上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

稀土离子掺杂晶体被广泛应用于现代信息技术，包括显示器、微纳激光器、太阳能电池、光学传感、超分辨成像、量子信息过程等。相比于自由状态的原子或离子，掺入晶体中的稀土离子的光学特性会受到晶体场的影响。例如，稀土离子掺杂单晶的发光偏振度被认为与晶格结构密切相关，但尚缺乏定量的实验验证和理论解释。

03 研究创新点

该团队利用微区光谱表征技术结合偏振庞加莱球测试方法，定量测量了稀土铕离子掺杂单个四氟钇钠微米晶的精细能级间光学跃迁的线偏度。 图1 稀土铕离子掺杂单个四氟钇钠微米晶偏振光谱表征和庞加莱球测量 进一步地，该团队结合微观点群理论和晶体的宏观旋转对称性，利用线偏度计算出了与之对应的电/磁偶极跃迁在晶体中的取向。 图2 晶体中铕离子精细能级之间光学跃迁对应的电/磁偶极子取向分析计算结果表明，电/磁偶极跃迁取向精确沿着或垂直于六方晶格的c/a方向（误差小于1°），即晶体的几何结构决定了掺杂离子精细能级光学跃迁的线偏度。 图3 跃迁偶极取向与晶格对称性关系

该团队还提出了利用稀土离子掺杂晶体的不同光学跃迁进行偏振传感单个微/纳米晶三维空间取向的方法，此方法不受衍射极限的限制。

04 总结与展望

该研究工作对于通过晶体结构设计得到按需偏振发光的离子掺杂晶体具有指导作用。建立在该工作之上，可以通过将单个偏振发光微米或纳米晶与光学微腔或超结构相耦合，以实现超荧光或受激辐射等物理过程对晶体偏振发光瞬时操控。另一方面，偏振光学探测纳米晶体三维取向的技术对于微流体和活细胞等动态系统中超出衍射极限的微尺度传感和成像具有潜在的意义。

西安交通大学电子科学与工程学院博士生李朋和郭雅欣为该工作的共同第一作者。李峰教授为论文的通讯作者，西安交通大学为论文第一单位。该工作得到了国家自然科学基金和陕西省创新团队的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c02756推荐阅读：

编辑 | 方紫璇

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