Purcell-enhanced quantum yield from carbon nanotube excitons coupled to plasmonic nanocavities.
Purcell-enhanced quantum yield from carbon nanotube excitons coupled to plasmonic nanocavities.
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DOI：
10.1038/s41467-017-01777-w
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发表时间：
2017-11-10
影响因子：
16.6
通讯作者：
Strauf S
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Luo Y;Ahmadi ED;Shayan K;Ma Y;Mistry KS;Zhang C;Hone J;Blackburn JL;Strauf S
单壁碳纳米管（SWCNT）是有前景的吸收器和发射器，可实现新型光子应用和设备，但也存在光学量子产率低的问题。在这里，我们展示了与等离激元纳米腔阵列耦合的单壁碳纳米管激子，可深入到 Purcell 区域，其 Purcell 因子 (F P) 高达 F P = 180（平均 F P = 57），Purcell 增强的量子产率为 62%（平均 42%），并且进入第一个透镜的光子发射率为 15 MHz。空腔耦合是准确定性的，因为每个单壁碳纳米管的光物理性质都增强了至少一个数量级。此外，测量的超窄激子线宽（18μeV）达到了辐射寿命极限，这有望产生变换限制的单光子。为了证明量子光源之外的实用性，我们展示了纳米腔耦合的单壁碳纳米管作为单分子温度计，在纳米尺度上激子、声子和等离子体激元的独特相互作用中检测低温下的等离子体诱导热。单壁碳纳米管提供了令人兴奋的光电应用，但通常存在量子产率较低的问题。在这里，罗等人。证明将纳米管耦合到等离子体天线可以导致大的珀塞尔增强，并相应增加量子产率以及单分子水平的等离子体测温。
Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are promising absorbers and emitters to enable novel photonic applications and devices but are also known to suffer from low optical quantum yields. Here we demonstrate SWCNT excitons coupled to plasmonic nanocavity arrays reaching deeply into the Purcell regime with Purcell factors (F P) up to F P = 180 (average F P = 57), Purcell-enhanced quantum yields of 62% (average 42%), and a photon emission rate of 15 MHz into the first lens. The cavity coupling is quasi-deterministic since the photophysical properties of every SWCNT are enhanced by at least one order of magnitude. Furthermore, the measured ultra-narrow exciton linewidth (18 μeV) reaches the radiative lifetime limit, which is promising towards generation of transform-limited single photons. To demonstrate utility beyond quantum light sources we show that nanocavity-coupled SWCNTs perform as single-molecule thermometers detecting plasmonically induced heat at cryogenic temperatures in a unique interplay of excitons, phonons, and plasmons at the nanoscale. Single-walled carbon nanotubes offer exciting optoelectronic applications but generally suffer from low quantum yields. Here, Luo et al. demonstrate that coupling nanotubes to plasmonic antennas can lead to large Purcell enhancement and corresponding increase in quantum yield as well as plasmonic thermometry at the single molecule level.
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