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1、量子森林复色量子点量子点纳米管量子点纳米晶体第1页/共28页石墨烯半导体量子点1量子点感光元件石墨烯半导体量子点2量子点半导体第2页/共28页量子点量子点简介介目目 录录1量子点的制量子点的制备方法方法2量子点的光量子点的光谱特性特性3量子点光量子点光纤激光器原理激光器原理4本文以PbSe和CdSe/ZnS量子点为例，简要说明量子点得光学性质，仅供参考。（CdSe/ZnS光纤激光器）第3页/共28页 一、量子点简介一、量子点简介1、量子点概念 量子点的三个维度的尺寸都在几十个纳米以下，电子和空穴在三个维度上都被约束，从而引起一系列特殊的量子效应，三个维度的尺寸缩小到一个电子波长以下时，电子只能
2、在“零维”方向上运动，成了“准零维”的量子点。第4页/共28页2、量子点的、量子点的结构构量子点的结构可分为三类：核结构、核/壳结构、核/壳/壳结构。对于核结构，典型的种类是 CdSe、CdS、PbSe、PbS等。对于核/壳结构，典型的 核/壳 结 构 有 CdSe/Zn、CdTe/CdS 等。核/壳结构是在量子点核的外面包覆上一层或几层包覆层，但外面的包覆层几乎不影响内核的发光 第5页/共28页3、量子点的制备方法p目前，量子点的制备方法主要有以下四种.1）.化学溶胶法(chemical colloidal method)：以化学溶胶方式合成，可制作复层量子点(multilayered)，过
3、程简单，且可大量生产。第6页/共28页2）.自 组 成 法(self-assembly method)：采 用 分 子 束 外 延(molecular-beam epitaxy)或化学气相沉积(chemical vapor deposition)过程，并利用晶格不匹配(lattice mismatch)的原理，使量子点在特定基材表面自聚生长，可大量生产排列规则的量子点。第7页/共28页在GaAs基材上以自组成法生长InAs量子点的STM影像第8页/共28页3）.微影蚀刻法(lithographyandetching)：以光束或电子束直接在基材上蚀刻制作出所要之图案，由于相当费时因而无法大量生产
4、。以GaAs基材蚀刻窄圆柱式量子点之SEM影像，水平线条约0.5微米 第9页/共28页4）.分闸法(split-gate approach)：以外加电压的方式在二维量子阱平面上产生二维局限，可控制闸极改变量子点的形状与大小，适合用于学术研究，无法大量生产。以分闸法产生GaAs/AlGaAs量子点之SEM影像第10页/共28页 4、量子点效应、量子点效应（1）、量子尺寸效应：尺寸小于波尔半径，载流子受小空间限制，费米能级附近电子由连续变为分立。（2）、表面效应：表面积比大，表面原子活性很高。（3）、量子限域效应：极易形成激子，产生激子吸收带。量子局限效应导致费米能级附近的电子能级由连续变为离散能
5、级或能隙变宽，具有类似分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。（4）、宏观量子隧道效应：电子的平均自由程与限域空间尺度相当，载流子输运过程的波动性增强 （5）、库伦阻塞效应:电子进入量子点，增加的静电能就会远大于电子的热动能，这个静电能会阻止随后的电子进入量子点。第11页/共28页5、量子点的辐射量子点的发光包括光致发光和电致发光两种 量子点受光激发产生的空穴电子对（即激子）复合的途径主要有以下三种方式：1）、电子和空穴直接复合，产生激子态发光 2）、通过表面缺陷态间接复合发光，这种模式的发光比较弱 3）、通过杂质能级复合发光，光强比较强 第12页/共28页1、量子点的吸收光谱 量子点的吸
6、收光谱与其本身的结构特点有关，量子点对光的吸收明显比体材料强，表现为量子点材料对光的不透射、不反射。如PbSe量子点，其直径为5.5nm，以-1的浓度溶于正己烷（C6H14）有机溶剂中，形成量子点溶胶。，PbSe量子点在近红外波段具有很好的吸收能力。在波数600010000cm-1的区间里，吸收曲线非常光滑，除了在波数8334cm-1处有一个非常强的吸收主峰外，无任何杂峰。在短波长区，有一连续的强吸收谱存在。二二、量子点的光谱特性、量子点的光谱特性第13页/共28页2.CdTe 量子点的光谱特性CdTe 量子点是一种粒径较小的纳米微粒,它存在固液界面,故有散射存在。第14页/共28页粒径为31
7、8,410 nm的CdTe 量子点分别在597,622 nm 处有一个共振散射峰。考察了318,410,416 nm 三种粒径的CdTe 量子点浓度与共振散射峰强度的关系,共振散射峰强度与CdTe 量子点的浓度存在较好的线性关系。CdTe 量子点的共振散射光谱第15页/共28页CdTe 量子点的可见吸收光谱粒径为318,410,416 nm 的CdTe 量子点分别在550,573,590nm 处有1 个可见吸收峰;且随着CdTe 量子点粒径的增大,CdTe 量子点吸收峰的峰形变宽、吸光度(A)降低。考察了粒径分别为318,410,416 nm 的CdTe 量子点浓度与吸收峰强度的关系,实验结果
8、表明,吸收峰强度与CdTe 量子点的浓度存在较好的线性关系。粒径d 分别为410,418,512,615,816nm 的CdTe 量子点的吸收峰波长分别为573,590,610,630,670 nm。计算表明,d 与A 不存在线性关系;但A 与ln(d)存在较好的线性关系。第16页/共28页CdTe 量子点的荧光光谱研究CdTe 量子点的荧光量子产率高,荧光光谱窄而对称。结果表明,粒径为318,410,416 nm 的CdTe 量子点分别在601,625,654 nm 处有1 个荧光峰。考察了三种粒径分别为318,410,416 nm 的CdTe 量子点浓度与其荧光强度的关系,荧光峰强度与Cd
9、Te 量子点的浓度存在较好的线性关系。粒径d 分别为318,410,416,418,512,615,816 nm 的CdTe 量子点的荧光峰波长分别为601,625,654,663,667,710,745 nm。随着粒径的增大,CdTe量子点的荧光峰发生红移。计算表明,d 与F 不存在线性关系;但F 与ln(d)存在较好的线性关系,其线性回归为F=155101 ln(d)+415152,相关系数为01995 6,据此,只要测得其荧光峰波长,可求得其粒径第17页/共28页三三、量子点光纤激光器、量子点光纤激光器1）、熔融法制备量子光纤以PbSe量子点为例，利用熔融法在钠硼铝硅酸盐玻璃（SiO2-
10、B2O3-Al2O3-ZnO-AlF3-Na2O）中成功地合成了PbSe量子点晶体。当热处理温度大于等于550时，该硅酸盐玻璃中的Pb2+和Se2离子发生明显扩散，其玻璃中析出PbSe晶体。通过热处理条件（如热处理温度、热处理时间）可控制玻璃中PbSe量子点尺寸大小，随着热处理温度的升高，PbSe量子点尺寸增加，量子点密度变小，其吸收峰值波长和PL荧光峰值波长向长波方向移动。1、量子光纤的制备第18页/共28页2）、空心光纤灌装法制备量子光纤将量子点制成量子点胶体（例如某些可以掺入液态硅胶），采用一定的工艺解决掺杂均匀、量子点团聚和胶体固化速度等问题。而后采用实验室的空心灌装方法。如图：左边第
11、一个是抽真空法；右边两个是注射法。第19页/共28页2、量子点光纤激光器结构激光器的基本结构如图所示，其中为量子点光纤，为光纤布拉格光栅，为激光二极管，为光谱仪。抽运光由短波长产生，导入使其中的量子点处于激发态，形成粒子数反转。在构成的谐振腔中实现激射振荡，当增益足够大时，可产生激光。激光波长由的反射波长决定，其中对全反（反射率为），对部分反射（反射率为），两者对抽运光波长均为全透。激光从输出到或功率计第20页/共28页图为测得的核直径的量子点的吸收和发射光谱。1、CdSe量子点的特性由图可见，该量子点的第一吸收峰位于（处的峰为抽运光），在短波长区有连续的吸收，且吸收截面随波长的减小而增大因此
12、，可以在短波长区任选一个抽运波长。3、量子点光纤激光器结构第21页/共28页图为测得的量子 点 光 纤 在 不 同 掺 杂 浓 度 下 的 光 致 荧 光（）增益随光纤长度的变化，其单程光纤增益可达约。抽运波长为。辐射峰位于，斯托克斯（）频移为。第22页/共28页（1）、CdSe量子点的能带图图为量子点的能带图，其中为导带平均能，为价带平均能，为通过实验确定的当温度在 变化时的带隙移动。2、CdSe量子点的受激辐射阈值由于的上能级寿命很短，因此，能否产生受激辐射或受激辐射的条件会不会过于苛刻。量子点的荧光辐射主要来自核，带隙约为，尺寸依赖的辐射波长覆盖了整个可见区，外壳对辐射没有影响。第23页
13、/共28页（2）、受激辐射阈值量子点的光学增益取决于其辐射与无辐射之间的竞争。无辐射损失主要来自于多粒子俄歇弛豫（AugerRelaxation）以及表面捕获。对于有外包覆层的CdSe/ZnS量子点，表面捕获效应已被极大消除，无辐射损失主要是俄歇弛豫。只有当受激辐射过程快于无辐射弛豫时，能级的受激辐射才会产生。俄歇弛豫时间：受激辐射特征时间：阈值条件：第24页/共28页量子点具有单峰辐射的特点，在短波长抽运光的作用下，量子点吸收能量后被激发到能级和（图虚线所示过程）。能级的粒子通过受激辐射和自发辐射直接跃迁回基态。4、能级与激励阈值量子点的三能级系统可用二能级近似来描述 由于奇偶选择定则，能级
14、的粒子不能直接通过辐射跃迁回基态，而是以几率无辐射跃迁到能级，再经辐射跃迁回基态。能级到的跃迁几率非常大，属于带内跃迁，因此，能级的粒子将很快跃迁到能级 第25页/共28页半导体量子点是在纳米尺度原子和分子的集合体,一般粒径范围为220 nm。当粒子尺寸下降到接近或小于激子玻尔半径时,费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级,这种现象称为量子尺寸效应。量子点特有的量子尺寸效应和小尺寸效应使之呈现出许多与同质单个分子或大块物体不同的光学性质。由于量子尺寸效应的存在,纳米晶的光学及电学性质强烈依赖其尺寸。随着CdTe 纳米晶尺寸的减小,其量子尺寸效应导致纳米晶的吸收峰、荧光峰和共振散射峰蓝移。对于量子点掺杂的光纤激光器（）。激光输出功率与掺杂浓度和光纤长度的乘积有关，当掺杂粒子浓度达到或超过31022m时，输出功率趋于饱和。纤芯温度的变化对输出功率的影响很小，的热稳定性较好。与传统的光纤激光器相比，本文提出的掺杂的饱和浓度较低，光纤的饱和长度较短，抽运效率更高。结论结论第26页/共28页Company LogoCompany LogoAdd Your Company SloganThank youThank you！第27页/共28页感谢您的观看！第28页/共28页