【摘要】：近幾個世紀(jì)以來,科學(xué)家一直在不斷追尋光的本質(zhì),不管是牛頓所支持的“微粒說”,還是惠更斯所提倡的“波動說”,始終未能揭示光的本質(zhì)。1905年,受普朗克的啟發(fā),年輕的愛因斯坦提出了“光量子(light quantum)”的概念成功解釋了光電效應(yīng),自此人們才開始意識到光可能同時具有波動和粒子雙重特性。愛因斯坦的光量子理論同時也從理論上給出了任何光探測器能夠達到的探測能力極限—檢測單光子能量。近年來,受光量子信息技術(shù)等前沿應(yīng)用領(lǐng)域的推動,研究高性能的單光子探測器引起了科學(xué)家們的廣泛興趣和持續(xù)關(guān)注。相比于較為成熟的光電倍增管和雪崩擊穿二極管,新型的單光子探測技術(shù)被不斷提出和實現(xiàn),并有望在不久的將來獲得巨大應(yīng)用。本論文系統(tǒng)研究了一種基于人工量子點調(diào)控的共振隧穿二極管(Quantum Dot Resonant Tunneling Diodes, QD-RTDs)新型單光子探測器,利用光生載流子引起量子點中電荷狀態(tài)的變化,進而觸發(fā)共振隧穿二極管的隧穿電流來進行單光子探測。相比于現(xiàn)有單光子探測技術(shù),該器件具有極低的暗計數(shù)速率和良好的光子探測效率,從而被判定為具有最優(yōu)性能參數(shù)(figures of merit)的單光子探測器。本論文的主要貢獻和一些創(chuàng)新工作概況如下：1.利用InAs自組裝生長量子點的帶間躍遷光子吸收將QD-RTD的探測截止波長從現(xiàn)有的840 nm直接拓展到了1.3μm紅外波段,并在77K液氮溫度下演示了高靈敏的紅外單光子檢測能力。目前國際上報道的QD-RTD單光子探測器利用一層臨近量子點的GaAs作為光吸收層,所以器件的探測波長就被GaAs的帶隙所限制(～840 nm),即只有能量高于GaAs禁帶寬度的光子才能夠被器件有效吸收及探測。本論文首先提出并研究了另外一種可行的光子吸收模式,即直接利用光子能量激發(fā)量子點中的電子帶間躍遷吸收,從而演示了同類器件的紅外單光子探測能力。2.首次演示了共振隧穿二極管單光子探測器的光子數(shù)分辨(Photon-Number-Resolving, PNR) 能力。能夠有效識別入射光子數(shù)的單光子探測器在線性量子計算及長距離量子通信上具有非常重要的應(yīng)用價值。而目前也只有為數(shù)不多的幾款單光子探測器具有光子數(shù)分辨能力。自2005年QD-RTD單光子探測技術(shù)被提出以來,該類型器件的光子數(shù)分辨能力一直沒有實現(xiàn),從而被Nature Photonics綜述文章判定為不具備光子數(shù)分辨能力。本論文深入研究了器件的量子耦合能態(tài)結(jié)構(gòu)并改進了光子探測方法,從而成功的實現(xiàn)了器件對入射光子數(shù)的識別能力。3.引入了能夠調(diào)控量子點電子態(tài)的有效重置操作(reset operation),并將QD-RTD的動態(tài)探測范圍提升了兩個量級以上。QD-RTD探測器由于有效吸收面積較小(10μm2),通常在吸收幾百個入射光子后就達到了飽和狀態(tài),而且這種飽和狀態(tài)會維持較長時間(至少幾個小時以上),即使關(guān)閉光源后都無法恢復(fù)到初始狀態(tài)。本論文深入研究了器件的光飽和物理機制,并以此為基礎(chǔ)提出了一種簡便的器件重置技術(shù),該技術(shù)能夠周期性的對量子點進行快速電子注入,從而使器件能夠在強光照射下保持良好的線性響應(yīng)。經(jīng)過驗證,器件的動態(tài)光強探測能力至少拓展到了104光子/秒以上。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN15

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