研究背景
GaN发光二极管（LED）在我们日常生活中已经广泛应用，例如：照明、交通信号以及液晶显示背光源等。目前器件逐渐向微型化方向发展，如微米、纳米尺寸LED等，致力于实现高亮度、低功耗的微纳发光器件。
半导体纳米器件的性能主要由载流子输运动力学决定，与单个纳米线的局域结构涨落、团簇，应力等因素有关。半导体纳米器件应用潜能取决于我们对发生在纳米尺度和超快瞬态过程中多物理参量的调控能力。当前，在高时空分辨下探测载流子的俘获、驰豫、输运和复合路径等仍然具有很大的挑战。
Fig.1 硬X射线多模式纳米探针装置示意图。脉冲模式X射线聚焦成纳米束激发样品，产生的X射线荧光(XRF)、发光谱(XEOL)和时间分辨激发光谱(TR-XEOL)。
硬X射线时空分辨多模式纳米探针技术有助于我们全面理解半导体纳米线载流子复杂驰豫过程的物理机理。硬X射线激发电子到费米能级以上的高能态，同时在原子核壳能级产生空穴。这些高能载流子通过核能级间跃迁、导价带间跃迁等辐射X射线荧光(XRF)、发光谱(XEOL)。第三代同步辐射光源光束具有高亮度，允许脉冲和准连续工作模式，可以将X射线聚焦到几纳米至几十纳米。高空间分辨纳米探针技术与时间分辨X射线激发发光谱(TR-XEOL)结合实现时空分辩多模式探测，能够在纳米尺度上探测光学特性(XEOL)与物质元素(XRF)的关联特性。
目前世界上只有少数同步辐射光源具备X射线多模式纳米探针技术，例如台湾光子源多模式纳米探针技术能够达到<60nm空间分辨率和30ps 时间分辨率。欧洲同步辐射光源(ESRF)达到80nm空间分辨率和20ps 时间分辨。与其他时空分辨显微探测技术相比，如近场光学显微镜、扫描隧道显微镜等，硬X射线纳米探针技术具有较深的穿透能力，可以探测不同组分的多层异质结构。
研究创新
近日，欧洲同步辐射光源、西班牙马德里材料科学研究中心(Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid) Gema MartÍnez-Criado 团队利用硬X射线多模式纳米探针技术，研究了单根GaN微米线核-壳 InGaN/GaN多量子阱结构载流子时空动力学, 以“Spatially and time-resolved carrier dynamics in Core-shell InGaN/GaN multiple-quantum wells on GaN wire” 为题发表在Nano Letters上。
将能量为29.6 keV、脉宽为50 ps的硬X射线纳米聚焦到纳米维度80 x 80 nm2，并激发到核-壳多量子陷样品，同时探测二次X射线荧光谱XRF和激发发光谱XEOL。X射线荧光谱XRF探测物质元素信息，除了主要的Ga、In元素，非故意掺杂元素 Cr,Fe,Ni等。激发发光谱XEOL不仅反应了表面壳层多量子阱发光谱，同时能探测到内核GaN的黄光带。
Fig.2 单根GaN微米线内核直径约为2 μm，外壳为5个周期的In0.15Ga0.85N/GaN多量子阱。硬X射线激发GaN微米线核-壳多量子阱，产生XEOL和XRF谱。
研究者们选择激发微米线不同位置研究量子阱光谱变化，给出了结构侧壁和上表面等不同位置量子阱的XEOL衰减时间、空间位置和In、Ga分布间的关联。一方面，在上表面六角形的顶点处出现增强的XEOL信号，表明在量子阱不同面的交汇处出现载流子的空间局域效应，并且在m面（侧壁）量子阱的荧光衰减要快；另一方面，元素Ga、In显示均匀分布，表明形成共轴异质结构。在该系统空间分辨率下(~80 nm)，并没有探测到In聚集或者向里扩散的现象。
Fig.3 (a) 空间不同位置处量子阱辐射在2.87 eV的瞬态衰减。XEOL信号空间分布图(b)和相应XRF的Ga和In元素分布图(c)。
展望
Gema MartÍnez-Criado 团队利用硬X射线多模式纳米探针技术实现探测了单根微米GaN单根微米线-壳量子阱的载流子动力学，实验结果有助于更好的理解纳米空间尺度上光激发载流子路径。
该技术为材料科学领域研究物质成分、结构和光学特性提供了一种新的探测技术和手段。探测载流子的捕获截面等信息，需要进一步测试激发态载流子瞬态衰减随激发强度、温度和能级的变化，这也要求X射线多模式探针技术系统进一步地升级，例如装备条纹相机、低温机等来迅速地捕获发光信号。面向未来发展趋势，下一代同步辐射源有望进一步提高纳米探针技术的时空分辨能力。
参考文章
Jaime Segura-Ruiz, Damien Salomon, Andrei Rogalev, Joël Eymery, Benito Alén and Gema MartÍnez-Criado*“Spatially and time-resolved carrier dynamics in Core-shell InGaN/GaN multiple-quantum wells on GaN wire”Nano Letters 21,9494-9501(2021)
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02760
