RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Nucleazione spazialmente controllata di punti quantici per emettitori a singolo fotone

Università di riferimento

Università degli Studi di FIRENZE - FISICA - FIRENZE(FI)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Anna VINATTIERI

Descrizione

All'interno del progetto il gruppo di ricerca presso il Dipartimento di Fisica dell'Universita' di Firenze si occupera' della spettroscopia ottica sui campioni cresciuti e caratterizzati strutturalmente all'universita' di Tor Vergata e confrontera' i risultati ottenuti da misure spettroscopiche con i modelli teorici sviluppati dal partner di Modena-Reggio Emilia.
Le indagini sperimentali, nella prima fase, riguarderanno misure di fotoluminescenza (PL) al fine di caratterizzare il materiale cresciuto ed in seguito ci focalizzeremo sullo studio della dinamica di ricombinazione del singolo emettitore e/o di punti quantici accoppiati disposti in geometrie predefinite. Nel caso in cui si rendano disponibili QD in microcavita' una parte della nostra attivita' riguardera' l'emissione coerente e piu' in generale studi di CQED.
Attualmente noi disponiamo di sorgenti laser capaci di fornire impulsi ultracorti ( 0.1- 4 ps) ad elevata frequenza di ripetizione, accordabili fra 0.6 e 1 µm, che consentono eccitazione non-risonante e risonante di nanostrutture di semiconduttori III-V. Accanto alle sorgenti abbiamo un adeguato sistema di rivelatori quali una streak-camera con catodo S20 ( intervallo spettrale 0.35-0.8 µm) con una risoluzione temporale di 10 ps, un rivelatore a microcanali per misure di correlazione temporale di singolo fotone (TCSPC), nell'intervallo spettrale 0.25-0.8 µm, con 50 ps di risoluzione temporale ed un fotomoltiplicatore InAlAs/InGaAs ( intervallo spettrale 0.3-1.4 µm, risoluzione temporale con apparato TCSPC 200 ps). Per rivelazione in continua e' inoltre disponibile una CCD di silicio a bassissimo rumore. Questi sistemi ci consentono pertanto di misurare sia tempi di decadimento a lunghezza d'onda di emissione prefissata che spettri di luminescenza (PL) in una finestra temporale prescelta con le risoluzioni temporali sopra indicate e una risoluzione spettrale massima di qualche decimo di meV. Disponiamo inoltre di criostati per misure in condizioni di rivelazione macro ( risoluzione spaziale > 100 µm ) che per rivelazione micro ( risoluzione 0.7 µm), variando la temperatura del campione fra 4 e 300 K. Utilizzando tali apparati abbiamo studiato la dinamica di eccitoni e portatori liberi in nanostrutture di composti III-V in differenti condizioni di eccitazione ottenendo informazioni dettagliate sia per quanto concerne lo stato fondamentale che gli stati eccitati. Disponiamo inoltre di un microscopio AFM-SNOM che ci consente di effettuare misure di topografia e misure di spettroscopia in campo vicino con risoluzione spaziale pari a circa 100 nm a temperatura ambiente. L'apparato AFM-SNOM e' stato da noi implementato per realizzare esperimenti di spettroscopia risolta in tempo in campo vicino, combinando cosi' l'elevata risoluzione spaziale a quella temporale. Ai fini del progetto proposto vogliamo evidenziare che l'apparato sperimentale per misure di microfotoluminescenza ( microPL) recentemente migliorato con l'acquisto di un criostato ad elevata stabilita', implementando un microscopio in configurazione confocale, ci consentira' in primo luogo la caratterizzazione ottica dei campioni ed in seguito lo studio dettagliato della dinamica del singolo emettitore.
La nostra attivita' di ricerca seguira' di pari passo la realizzazione di campioni da parte del gruppo romano e pertanto sara' articolata in due fasi successive:

1) In primo luogo ci proponiamo di studiare le caratteristiche spettrali dell'emissione dei campioni messi a disposizione dal partner di Roma con esperimenti di PL al variare di parametri come intensita' di eccitazione e temperatura, misurando efficienze radiative e studiando in dettaglio il ruolo dei difetti introdotti dal processamento. Queste misure saranno effettuate sia con rivelazione del segnale di PL in condizioni stazionarie che risolte temporalmente, ottenendo quindi valori per i rate radiativi e di cattura da parte del QD.

2) Appena si renderanno disponibili campioni con singolo QD, gli esperimenti verranno condotti in condizioni di microPL in modo da estrarre informazioni sul singolo emettitore, nell'intervallo di temperatura fra 4 e 300K. A temperatura ambiente queste misure potranno essere anche realizzate in condizioni di rivelazione di campo vicino con il microscopio SNOM .
Su campioni con QD accoppiati vogliamo realizzare esperimenti di PL volti allo studio dell'interazione fra di essi, studiando in particolare come la dinamica di ricombinazione venga modificata dall'accoppiamento. Nel caso che si rendano disponibili campioni in cui il punto quantico e' inserito in una microcavita' studieremo l'accoppiamento eccitone-modo di cavita', quantificando il fattore di merito , misurando la dispersione del polaritone e determinando l'aumento del rate di ricombinazione spontanea ( effetto Purcell) dovuto all'accoppiamento con cavita' ad alto Q.

Il programma di ricerca dell'unita' fiorentina sara' pertanto in dettaglio il seguente:

I anno
1) Studio del ruolo dei difetti introdotti dai processi superficiali nella dinamica dei portatori, sia sullo spettro che sull'efficienza di ricombinazione, determinando rate radiativi e non-radiativi.
2) Studio della larghezza di riga in funzione della temperatura e della densita' di eccitazione al fine di determinare contributi dovuti a inomogeneita', interazione con il reticolo ed effetti a molti corpi.
II anno
3) Caratterizzazione spettrale avanzata con tecniche di microfotoluminescenza ( microPL) per individuare l'emissione da singolo punto quantico e studiare la decoerenza dell'emissione e l'interazione del QD con fononi e difetti nell'environment.
4)Determinazione dei tempi di cattura e ricombinazione nel singolo punto Quantico: dipendenza dall'omogeneita' della struttura e dall'accoppiamento eventuale fra punti quantici disposti in geometrie predefinite.
Nello sviluppo del progetto verso la realizzazione di emettitori inseriti in microcavita' aggiungiamo i seguenti punti:
5) Determinazione delle condizioni di accoppiamento ( forte o debole), misurando la dispersione del modo eccitonico e di cavita'. Misura del rate di emissione spontanea (SER) e misura dell'effetto Purcell.
6) Misura del pattern angolare di emissione.

I risultati ottenuti saranno discussi e confrontati da una parte con il gruppo di Roma (crescita e processing) e dall'altra con l'unita' di Modena-Reggio Emilia in grado di modellizzare e calcolare strutture elettroniche e rate radiativi. Gli esperimenti da noi condotti dovrebbero pertanto essere un test per la verifica del raggiungimento degli obiettivi di crescita controllata del singolo punto quantico e per la modellizzazione degli stati elettronici e della dinamica di ricombinazione.