量子點光譜性質(zhì)研究)

1、Company Logo量子點的光譜性質(zhì) Company Logo量子森林復(fù)色量子點量子點納米管量子點納米晶體Company Logo石墨烯半導(dǎo)體量子點1量子點感光元件石墨烯半導(dǎo)體量子點2量子點半導(dǎo)體量子點量子點簡簡介介目 錄1量子點的制量子點的制備備方法方法2量子點的光量子點的光譜譜特性特性3量子點光量子點光纖纖激光器原理激光器原理4本文以本文以PbSe和和CdSe/ZnS量子點為例，簡要說明量子點得光學性質(zhì)，僅供參考。量子點為例，簡要說明量子點得光學性質(zhì)，僅供參考。（CdSe/ZnS光纖激光器）光纖激光器）Company Logo 一、量子點簡介一、量子點簡介1、量子點概念、量子點概念 量

2、子點的三個維度的尺寸都在幾十個納米以下，電子和量子點的三個維度的尺寸都在幾十個納米以下，電子和空穴在三個維度上都被約束，從而引起一系列特殊的量子效空穴在三個維度上都被約束，從而引起一系列特殊的量子效應(yīng)，三個維度的尺寸縮小到一個電子波長以下時，電子只能應(yīng)，三個維度的尺寸縮小到一個電子波長以下時，電子只能在在“零維零維”方向上運動，成了方向上運動，成了“準零維準零維”的量子點的量子點 。Company Logo2、量子點的、量子點的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)量子點的量子點的結(jié)構(gòu)可分為三類：核結(jié)構(gòu)、核結(jié)構(gòu)可分為三類：核結(jié)構(gòu)、核/殼結(jié)構(gòu)、核殼結(jié)構(gòu)、核/殼殼/殼結(jié)構(gòu)殼結(jié)構(gòu) 。對于核結(jié)構(gòu)，典型的種類是對于核結(jié)構(gòu)，典型的種類

3、是 CdSe、CdS、PbSe、PbS等等 。對于核對于核/殼結(jié)構(gòu)，典型殼結(jié)構(gòu)，典型的 核的 核 / 殼 結(jié) 構(gòu) 有殼 結(jié) 構(gòu) 有 CdSe/Zn、CdTe/CdS 等。核等。核/殼結(jié)構(gòu)是在量殼結(jié)構(gòu)是在量子點核的外面包覆上子點核的外面包覆上一層或幾層包覆層，一層或幾層包覆層，但外面的包覆層幾乎但外面的包覆層幾乎不影響內(nèi)核的發(fā)光不影響內(nèi)核的發(fā)光 Company Logo3、量子點的制備方法p 目前，量子點的制備方法目前，量子點的制備方法主要有以下四種主要有以下四種. . 1 1）. .化學溶膠法化學溶膠法(chemical colloidal method)：以化學溶膠方：以化學溶膠方式合成，可

4、制作式合成，可制作復(fù)層量子復(fù)層量子點點(multilayered)，過程，過程簡單，且可大量生產(chǎn)。簡單，且可大量生產(chǎn)。Company Logo2 2）. .自組成法自組成法(self-assembly method) )：采用：采用分子束外延分子束外延(molecular-beam epitaxy)或化學或化學氣相沉積氣相沉積(chemical vapor deposition)過程，過程，并利用晶格不匹配并利用晶格不匹配(lattice mismatch)的原理，的原理，使量子點在特定基材表面自聚生長，可大量生使量子點在特定基材表面自聚生長，可大量生產(chǎn)排列規(guī)則的量子點。產(chǎn)排列規(guī)則的量子點。C

5、ompany Logo在GaAs基材上以自組成法生長InAs量子點的STM影像Company Logo 3 3）. .微影蝕刻法微影蝕刻法(lithographyandetching)：以光：以光束或電子束直接在基材上蝕刻制作出所要之圖案，由于束或電子束直接在基材上蝕刻制作出所要之圖案，由于相當費時因而無法大量生產(chǎn)。相當費時因而無法大量生產(chǎn)。以以GaAs基材蝕刻窄圓柱式量子點之基材蝕刻窄圓柱式量子點之SEM影像，水平線條約影像，水平線條約0.5微米微米 Company Logo 4 4）. .分閘法分閘法(split-gate approach) ：以外加電壓的方式在：以外加電壓的方式在二維量

6、子阱平面上產(chǎn)生二維局限，可控制閘極改變量子點的二維量子阱平面上產(chǎn)生二維局限，可控制閘極改變量子點的形狀與大小，適合用于學術(shù)研究，無法大量生產(chǎn)。形狀與大小，適合用于學術(shù)研究，無法大量生產(chǎn)。以分閘法產(chǎn)生以分閘法產(chǎn)生GaAs/AlGaAs量量子點之子點之SEM影像影像Company Logo 4、量子點效應(yīng)、量子點效應(yīng) （1）、量子尺寸效應(yīng)：）、量子尺寸效應(yīng)：尺寸小于波爾半徑，載流子受小空間尺寸小于波爾半徑，載流子受小空間限制，費米能級附近電子由連續(xù)變?yōu)榉至?。限制，費米能級附近電子由連續(xù)變?yōu)榉至ⅰ?（2）、表面效應(yīng)：）、表面效應(yīng)：表面積比大，表面原子活性很高。表面積比大，表面原子活性很高。 （3）、

7、量子限域效應(yīng)：）、量子限域效應(yīng)：極易形成激子，產(chǎn)生激子吸收帶。極易形成激子，產(chǎn)生激子吸收帶。量子局限效應(yīng)導(dǎo)致費米能級附近的電子能級由連續(xù)變?yōu)殡x散能級或能隙變量子局限效應(yīng)導(dǎo)致費米能級附近的電子能級由連續(xù)變?yōu)殡x散能級或能隙變寬，具有類似分子特性的分立能級結(jié)構(gòu)，受激后可以發(fā)射熒光。寬，具有類似分子特性的分立能級結(jié)構(gòu)，受激后可以發(fā)射熒光。 （4）、宏觀量子隧道效應(yīng)：）、宏觀量子隧道效應(yīng)：電子的平均自由程與限域空間電子的平均自由程與限域空間尺度相當，載流子輸運過程的波動性增強尺度相當，載流子輸運過程的波動性增強 （5）、庫倫阻塞效應(yīng)）、庫倫阻塞效應(yīng):電子進入量子點，增加的靜電能就會電子進入量子點，增加的

8、靜電能就會遠大于電子的熱動能，這個靜電能會阻止隨后的電子進入量遠大于電子的熱動能，這個靜電能會阻止隨后的電子進入量子點子點 。NEF34Company Logo5、量子點的輻射、量子點的輻射量子點的發(fā)光包括光致發(fā)光和電致發(fā)光兩種量子點的發(fā)光包括光致發(fā)光和電致發(fā)光兩種 量子點受光激發(fā)產(chǎn)生的量子點受光激發(fā)產(chǎn)生的空穴電子對（即激子）空穴電子對（即激子）復(fù)合的途徑主要有以下復(fù)合的途徑主要有以下三種方式：三種方式：1）、電子和空穴直接復(fù)合，產(chǎn)生激子態(tài)發(fā)光）、電子和空穴直接復(fù)合，產(chǎn)生激子態(tài)發(fā)光 2）、通過表面缺陷態(tài)間接復(fù)合發(fā)光，這種模式的發(fā)光比較弱）、通過表面缺陷態(tài)間接復(fù)合發(fā)光，這種模式的發(fā)光比較弱 3）

9、、通過雜質(zhì)能級復(fù)合發(fā)光，光強比較強）、通過雜質(zhì)能級復(fù)合發(fā)光，光強比較強 Company Logo1、量子點的吸收光譜、量子點的吸收光譜 量子點的吸收光譜與其本身的結(jié)構(gòu)特點有關(guān)，量子點對量子點的吸收光譜與其本身的結(jié)構(gòu)特點有關(guān)，量子點對光的吸收明顯比體材料強，表現(xiàn)為量子點材料對光的不透射、光的吸收明顯比體材料強，表現(xiàn)為量子點材料對光的不透射、不反射。不反射。如如PbSe量子點，其直徑為量子點，其直徑為5.5nm，以以2.5mg.mL-1的濃度溶于正己烷的濃度溶于正己烷（C6H14）有機溶劑中，形成量子）有機溶劑中，形成量子點溶膠。，點溶膠。，PbSe量子點在近紅外量子點在近紅外波段具有很好的吸收能

10、力。在波波段具有很好的吸收能力。在波數(shù)數(shù)600010000cm-1的區(qū)間里，吸的區(qū)間里，吸收曲線非常光滑，除了在波數(shù)收曲線非常光滑，除了在波數(shù)8334cm-1處有一個非常強的吸收處有一個非常強的吸收主峰外，無任何雜峰。在短波長主峰外，無任何雜峰。在短波長區(qū)，有一連續(xù)的強吸收譜存在。區(qū)，有一連續(xù)的強吸收譜存在。二二、量子點的光譜特性、量子點的光譜特性Company Logo2. CdTe 量子點的光譜特性量子點的光譜特性vCdTe 量子點是一種粒徑較小的納米微粒, 它存在固液界面, 故有散射存在。Company Logov粒徑為318 , 410 nm的CdTe 量子點分別在597 , 622

11、nm 處有一個有一個共振散射峰共振散射峰。v考察了318 , 410 , 416 nm 三種粒徑的CdTe 量子點濃度與共振散射峰強度的關(guān)系, 共振散射峰強度與共振散射峰強度與CdTe 量子點的濃度存在量子點的濃度存在較好的線性關(guān)系。較好的線性關(guān)系。CdTe 量子點的共振散射光譜量子點的共振散射光譜Company LogoCdTe 量子點的可見吸收光譜量子點的可見吸收光譜v 粒徑為318 , 410 , 416 nm 的CdTe 量子點分別在550 , 573 , 590nm 處有1 個可見吸收峰可見吸收峰; 且隨著且隨著CdTe 量子量子點粒徑的增大點粒徑的增大,CdTe 量子點吸收峰的峰形

12、變寬、吸光度量子點吸收峰的峰形變寬、吸光度( A) 降低。降低。v 考察了粒徑分別為318 , 410 , 416 nm 的CdTe 量子點濃度與吸收峰強度的關(guān)系, 實驗結(jié)果表明, 吸收峰強度與吸收峰強度與CdTe 量子點的濃度存在較好的線性關(guān)系。量子點的濃度存在較好的線性關(guān)系。v 粒徑d 分別為410 , 418 , 512 , 615 , 816nm 的CdTe 量子點的吸收峰波長分別為573 , 590 , 610 ,630 , 670 nm。計算表明計算表明, d 與與A 不存在線性關(guān)系不存在線性關(guān)系; 但但A 與與ln ( d) 存在較好的線性關(guān)系。存在較好的線性關(guān)系。Company

13、 LogoCdTe 量子點的熒光光譜研究量子點的熒光光譜研究v CdTe 量子點的熒光量子產(chǎn)率高量子點的熒光量子產(chǎn)率高, 熒光光譜窄而對稱熒光光譜窄而對稱。結(jié)果表明, 粒徑為318 , 410 , 416 nm 的CdTe 量子點分別在601 , 625 , 654 nm 處有1 個熒光峰。v 考察了三種粒徑分別為318 , 410 , 416 nm 的CdTe 量量子點濃度與其熒光強度的關(guān)系子點濃度與其熒光強度的關(guān)系, 熒光峰強度與熒光峰強度與CdTe 量子點量子點的濃度存在較好的線性關(guān)系。的濃度存在較好的線性關(guān)系。v 粒徑d 分別為318 , 410 , 416 , 418 , 512 ,

14、615 , 816 nm 的CdTe 量子點的熒光峰波長分別為601 ,625 , 654 , 663 , 667 , 710 , 745 nm。隨著粒徑的增大, CdTe量子點的熒光峰發(fā)生紅移。計算表明計算表明, d 與與F 不存在不存在線性關(guān)系線性關(guān)系; 但但F 與與ln ( d) 存在較好的線性關(guān)系存在較好的線性關(guān)系, 其線性回歸為F =155101 ln ( d) + 415152 , 相關(guān)系數(shù)為01995 6 , 據(jù)此, 只要測得其熒光峰波長, 可求得其粒徑Company Logo三三、量子點光纖激光器、量子點光纖激光器1）、熔融法制備量子光纖）、熔融法制備量子光纖以以PbSe量子點

15、為例，量子點為例， 利用熔融法在鈉硼鋁硅酸鹽玻璃利用熔融法在鈉硼鋁硅酸鹽玻璃（SiO2-B2O3-Al2O3-ZnO-AlF3-Na2O）中成功地合成了）中成功地合成了PbSe量子點晶體量子點晶體。當熱處理溫度大于等于當熱處理溫度大于等于550時，該硅酸鹽玻璃中的時，該硅酸鹽玻璃中的Pb2+和和Se2離子發(fā)生明顯擴散，其玻璃中析出離子發(fā)生明顯擴散，其玻璃中析出PbSe晶體。晶體。通通過熱處理條件（如熱處理溫度、熱處理時間）可控制玻璃過熱處理條件（如熱處理溫度、熱處理時間）可控制玻璃中中PbSe量子點尺寸大小，隨著熱處理溫度的升高，量子點尺寸大小，隨著熱處理溫度的升高，PbSe量子點尺寸增加，量

16、子點密度變小，其吸收峰值波長和量子點尺寸增加，量子點密度變小，其吸收峰值波長和PL熒光峰值波長向長波方向移動。熒光峰值波長向長波方向移動。 1、量子光纖的制備、量子光纖的制備Company Logo2）、空心光纖灌裝法制備量子光纖）、空心光纖灌裝法制備量子光纖將量子點制成量子點膠體（例如某些可以摻入液態(tài)硅膠），采用一定將量子點制成量子點膠體（例如某些可以摻入液態(tài)硅膠），采用一定的工藝解決摻雜均勻、量子點團聚和膠體固化速度等問題。而后采用的工藝解決摻雜均勻、量子點團聚和膠體固化速度等問題。而后采用實驗室的空心灌裝方法實驗室的空心灌裝方法 。如圖：。如圖：左邊第一個是左邊第一個是抽真空法；右抽真空

17、法；右邊兩個是注射邊兩個是注射法。法。Company Logo2、量子點光纖激光器結(jié)構(gòu)、量子點光纖激光器結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，其中為量子點光纖，為光纖布拉激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，其中為量子點光纖，為光纖布拉格光柵，為激光二極管，為光譜儀。抽運光由短波長產(chǎn)生，格光柵，為激光二極管，為光譜儀。抽運光由短波長產(chǎn)生，導(dǎo)入使其中的量子點處于激發(fā)態(tài)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在構(gòu)成的導(dǎo)入使其中的量子點處于激發(fā)態(tài)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在構(gòu)成的諧振腔中實現(xiàn)激射振蕩，當增益足夠大時，可產(chǎn)生激光。激光波長諧振腔中實現(xiàn)激射振蕩，當增益足夠大時，可產(chǎn)生激光。激光波長由由的反射波長決定，其中對的反射波長決定，其中對全反全反

18、 （反射率為），（反射率為），對對部分反射（反射率為），兩者對抽運光波長部分反射（反射率為），兩者對抽運光波長均為全透。激光均為全透。激光從輸出到或功率計從輸出到或功率計Company Logo圖為測得的核直徑圖為測得的核直徑的的量子點的吸收和發(fā)量子點的吸收和發(fā)射光譜。射光譜。1、CdSe量子點的特性量子點的特性由圖可見，該量子點的第一吸收峰位于（處由圖可見，該量子點的第一吸收峰位于（處的峰為抽運光），在短波長區(qū)有連續(xù)的吸收，且吸收截面隨波長的的峰為抽運光），在短波長區(qū)有連續(xù)的吸收，且吸收截面隨波長的減小而增大因此，可以在短波長區(qū)任選一個抽運波長。減小而增大因此，可以在短波長區(qū)任選一個抽運波長

19、。3、量子點光纖激光器結(jié)構(gòu)、量子點光纖激光器結(jié)構(gòu)Company Logo圖為測得的量子圖為測得的量子 點點 光光 纖纖 在在 不不 同同 摻摻 雜雜 濃濃 度度 下下 的的 光光 致致 熒熒 光（）增益隨光纖長度的變化，其單程光纖增益光（）增益隨光纖長度的變化，其單程光纖增益可達約?？蛇_約。 抽運波長為。抽運波長為。輻射峰位于，輻射峰位于，斯托克斯（）斯托克斯（）頻移為。頻移為。Company Logo（1）、）、 CdSe量子點的能帶圖量子點的能帶圖圖為量子點的能圖為量子點的能帶圖，其中為導(dǎo)帶平均能，帶圖，其中為導(dǎo)帶平均能，為價帶平均能，為價帶平均能，為通過實為通過實驗確定的當溫度在驗確定的

20、當溫度在 變化時的帶隙移動。變化時的帶隙移動。2、CdSe量子點的受激輻射閾值量子點的受激輻射閾值由于的上能級壽命很短，因此，能否產(chǎn)生受激輻射或受激輻射的條由于的上能級壽命很短，因此，能否產(chǎn)生受激輻射或受激輻射的條件會不會過于苛刻。件會不會過于苛刻。量子點的熒光輻射主要來自核，帶隙約為，尺寸依賴量子點的熒光輻射主要來自核，帶隙約為，尺寸依賴的輻射波長覆蓋了整個可見區(qū)，外殼對輻射沒有影響。的輻射波長覆蓋了整個可見區(qū)，外殼對輻射沒有影響。Company Logo（2）、受激輻射閾值）、受激輻射閾值量子點的光學增益取決于其輻射與無輻射之間的競爭。無輻射損失主量子點的光學增益取決于其輻射與無輻射之間的

21、競爭。無輻射損失主要來自于多粒子俄歇弛豫（要來自于多粒子俄歇弛豫（AugerRelaxation）以及表面捕獲。對）以及表面捕獲。對于有外包覆層的于有外包覆層的CdSe/ZnS量子點，表面捕獲效應(yīng)已被極大消除，無量子點，表面捕獲效應(yīng)已被極大消除，無輻射損失主要是俄歇弛豫。只有當受激輻射過程快于無輻射弛豫時，輻射損失主要是俄歇弛豫。只有當受激輻射過程快于無輻射弛豫時，能級的受激輻射才會產(chǎn)生。能級的受激輻射才會產(chǎn)生。俄歇弛豫時間：受激輻射特征時間：閾值條件：Company Logo量子點具有單峰輻射的特點，量子點具有單峰輻射的特點，在短波在短波長抽運光的作用下，量子點吸收能量長抽運光的作用下，量子

22、點吸收能量后被激發(fā)到能級和（圖虛線所示后被激發(fā)到能級和（圖虛線所示過程）。能級的粒子通過受激輻射過程）。能級的粒子通過受激輻射和自發(fā)輻射直接躍遷回基態(tài)。和自發(fā)輻射直接躍遷回基態(tài)。 4、能級與激勵閾值、能級與激勵閾值量子點的三能級系統(tǒng)可用二能級近似來描述量子點的三能級系統(tǒng)可用二能級近似來描述 由于奇偶選擇定則，能級的粒子不能直接通過輻射躍遷回基態(tài)，而是以幾由于奇偶選擇定則，能級的粒子不能直接通過輻射躍遷回基態(tài)，而是以幾率率無輻射躍遷到能級，再經(jīng)輻射躍遷回基態(tài)。能級到的躍遷幾率無輻射躍遷到能級，再經(jīng)輻射躍遷回基態(tài)。能級到的躍遷幾率非常大，屬于帶內(nèi)躍遷，因此，能級的粒子將很快躍遷到能級非常大，屬于帶內(nèi)躍遷，因此，能級的粒子將很快躍遷到能級 Company Logov 半導(dǎo)體量子點是在納米尺度原子和分子的集合