II-VI族半导体纳米结构的激光制冷研究

In 2013，the applicant of this proposal firstly observed the laser cooling effect in semiconductor CdS nanobelts. The related results were published in Nature and was highlighted as a front cover due to its milestone breakthrough in laser cooling of solids. It also attracted lots of attentions in both of scientific journals and news media. Based on this breakthrough, we proposed a new project focused on II-VI group semiconductor nanostrures to deeply understand the fundamental physics and widely explore the general standard theoretical model in laser cooling of semiconductors by using CVD synthesis and optical spectroscopy measurements. All those studies are very important in laser cooling of semiconductors and will give a guide for design of semiconductor-based-all-solid-optical-cryocooler. In this project, we are planing to use CVD techniques to synthesis hight crystalline quality CdS, CdSe, CdTe，ZnTe and their alloy crystals firstly. Then we will use resonant Raman spectroscopy，steady-state and time-resolved anti-Stokes\Stokes photoluminescence spectroscopy，and pump-probe photoluminescence thermometry techniques to systematically study how the electron-phonon coupling can enhance the laser cooling efficiency and to better understand what the dynamic process is in phonon-assisted photoluminescence up-conversion.

在2013年，申请人在世界上首次观察到了半导体硫化镉纳米带中的激光制冷效应，由于该工作有里程碑性质的突破，其结果以封面文章形式发表在Nature 杂志上，引起了广泛的关注。本项目是对上述研究的一步深入和拓展，通过从材料合成和光学测量的方面来系统的研究与硫化镉类似的、具有强电声子耦合的II-VI族半导体纳米结构中激光制冷的物理机理，探索激光制冷半导体的普适的理论模型，为半导体基全固态光学制冷器件的研制提供指导。在本项目中，拟通过化学气相沉积，合成一系列高单晶质量的CdS、CdSe、CdTe、ZnTe以及他们的合金，利用共振拉曼光谱、稳态和瞬态反斯托克斯\斯托克斯荧光光谱、泵浦探测荧光测温技术，来系统的研究电声子耦合对激光制冷效率的作用，更好的理解声子辅助荧光上转换导致激光制冷的的动力学过程。

激光冷却半导体在基础研究和全新制冷技术应用上有着非常重要的意义。本项目通过从材料合成和光学测量的方面来系统地研究具有强电声子耦合的半导体纳米结构中激光制冷的物理机理，探索激光制冷半导体的普适的理论模型，为半导体基全固态光学制冷器件的研制提供指导。在本项目中，通过化学气相沉积，合成一系列高单晶质量的II-VI族半导体，在半导体ZnTe中首次观测到了光学声子的可分辨边带拉曼冷却，相关结果发表在Nature Photonincs，并被同期的Nature Photonics 在News & Views进行了评述，这一工作不但对于基于声子的固体量子调控和量子计算有着重要的意义，而且对于实现THz频率声子激光器和固体材料的拉曼冷却提供了可能。此外，首次在金刚石SiV色心中实现了声子辅助的荧光上转换，为研究金刚石中的激光冷却，色心的量子态调控和超灵敏光学温度测量奠定了基础；在二维半导体中系统地研究了激子声子耦合和声子辅助上转换过程，发现了暗态激子和红外活性声子耦合导致的拉曼选择定则的破坏，为进一步利用二维半导体中强的激子声子耦合进行激光冷却提供了指导。