量子点团簇的单光子发射性质研究

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1、目录第一章绪论21.1半导体纳米晶简介21・2量子B艮希!I效应31・3单光子源61.3.1单光子源的发展61.3.2单光子源的检测71.4多激子复合中的俄歇效应81.5Forster共振能量转移131.5.1能量转移的理论基础131.5.2能量转移效率的测量方法151・6载流子倍增171・7本论文的研究内容和意义19参考文献19第二章CdSe/CdS量子点团簇的单光子发射研究252.1引言252.2实验部分272.2.1CdSe/CdS核壳量子点团簇的制备272.2.2CdSe/CdS核壳量子点团簇的光学测量装置272.3结果分析与讨论282.3.1CdSe/CdS

2、量子点团簇的尺寸和基木光学性质282.3.2单个团簇的荧光光谱和寿命302.3.3荧光闪烁和单光子发射322.3.4分光谱寿命测量332.3.5低温下荧光光谱和寿命342・4团簇量子点单光子发射新模型37参考文献37第三章总结与展望39致谢41第一章绪论半导体纳米晶又称为量子点是一种几个到十几个纳米尺度的半导体材料，尺寸小导致的量子局限效应和静电屏蔽减弱导致量子点中的载流子之间的库伦作用极大增强，以至于纳米晶中的多激子可以通过高速的非辐射俄歇作用进行复合，将产生的能量转移给另一个粒子。只有单激子通过辐射复合发射一个光子，因而量子点具有非常好的单光子发射特性。同吋，强烈

3、的库伦作用也使得半导体纳米晶具有高效的载流子倍增效应。作为一种新兴的纳米材料，半导体纳米晶一方面具有单光子发射的性质，很可能成为量子计算方而非常重要的光源；另一方而，其高效的载流子倍增效应对于光伏发电和光电探测器的发展意义重大。因此量子点未来在光电领域具有巨大的应用潜力。木文重点探讨大尺寸壳核（core/shell）量子点的光学特性以及CdSe/CdS纳米晶团簇的单光子发光特性的动态过程。1.1半导体纳米晶简介半导体纳米晶又称为量子点，是一类由儿百到上千的原子组成，物理尺寸在儿个到十几个微米的半导体纳米材料。在半导体纳米晶屮，由于其极小的物理尺度，电子和电子所对应的空

4、穴在空间维度上被紧紧束缚。量子点可以通过很多种方式进行合成，包括胶体合成，等离子体合成以及机械制造。“量子点”一词是在1988年由MarkRccd所命名［1］；但是事实上之前AlexeyEkimov［2］于1981年在玻璃矩阵［3］中就已经发现了量子点的踪迹；1985年LouisE.Brus又在胶体溶液中也发现过量子点。半导体量子点的电学性质正好处于体块半导体材料和尺寸相当的单个分子材料之间。量子点的光电性质，比如能带结构，可以通过改变其尺寸，形状和组成而人为调控。比如通过改变一个量子点的半径尺寸，可以获得特定的荧光发光波长［4］。即便具体的荧光颜色取决于量子点的组成

5、，量子点发光也有一定规律可循：尺寸偏大的量子点（比如半径5-6nm）一般发射光波长较长，呈橘黄色和红色；尺寸偏小的量子点（比如半径2-3nm）一般发射光波长较短，呈绿色和蓝色［5］。正因为其发光特性的高度可调，半导体量子点在晶体管，光伏，LED等众多领域都引起了广泛关注。并且其中有很多成熟的应用已经被开发出来。比如在显示领域，量子点非常方便调控的发光光谱使得它们成为很理想的液晶显示LCD背光光源。之前液晶显示板中必须浪费很大的能量将偏蓝黄的白光转化为正常的白光，而采用量子点之后这一问题完全被避免，极大地减少了液晶显示板的能量消耗。另一方面，在新型计算机研究领域，量子点

6、因为有较好的单光子发射特性也被视为将来可能的量子计算机比特。1.2量子限制效应由于半导体量子点的尺寸小于电子的德布罗意波长，因而电子在空间中的运动受到了极大的限制，电子态呈量子化分布，由图1-1所示，能带分裂为分立的能级,显示出量子限制效应。这就在很大程度上与原子类似，因而可以通过类比氢原子而描述半导体量子点的能级结构。BulksemiconductorSemiconductorNCID(e)Conductionband==■=_AEnergygap&(bulk)矗(NC)IP(e)Valenceband=========•••••・ilp(h)IID(h)1图1-1

7、体块材料和半导体纳纳米晶的电子结构。体块材料能级密集，形成独有的能带。半导体量子点无论导带价带都是分立的能级结构且一般导带能级间隔比价带更宽。上文中验证是否能出现明显量子限制效应的关键在于物理尺寸是否和电子的自然尺寸相当。为了更加精确，不妨采用波尔半径作为一个较好的参照。一般说来，一个粒子的波尔半径定义如下：mab=^—^(1・1)其中£是材料的介电常数，771是电子的静止质量，是粒子的质量，Qo是氢原子的波尔半径。对于一个半导体纳米晶，有三种明显的波尔半径可以进行考量：一种的电子的波尔半径⑰，一种是电子空穴的波尔半径切，还有是电子空穴对，或者说是激