量子点激光器课件.ppt

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1、量子点(QuantumDots)和量子点激光器量子点(quantumdot)是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳米材料，由少量的原子构成。外观恰似一极小的点状物，粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下。量子点内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应(quantumconfinementeffect)特别显著。量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，故量子点可用来作激光器的工作物质，而量子点也因此被称为“人造原子”(artificialatom)

2、。量子点有极大的应用潜力。科学家已经发明许多不同的方法来制造量子点，并预期这种纳米材料在二十一世纪的纳米电子学(nanoelectronics)上有极大的应用潜力。量子点可视为电子物质波的共振腔，电子在量子点内会有类似电磁波在一般共振腔中的共振现象。当局限位能壁（potential-wall）较薄时，量子点中的电子可因穿隧效应（tunnelingeffect）而逃离，我们称之为开放式量子点（openquantumdot），如图所示，其类似一开放共振腔（opencavity），此时电子能阶不再是稳态(stat

3、ionarystate)而是一种准稳态（quasi-stationarystate）；电子停留在准稳态约一个生命周期（lifetime）后就会逃离量子点。在一般块材中，电子的波长远小于块材尺寸，因此量子局限效应不显着。如果将某一个维度的尺寸缩到小于一个波长，此时电子只能在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统我们称为量子阱(quantumwell)；如果我们再将另一个维度的尺寸缩到小于一个波长，则电子只能在一维方向上运动，我们称为量子线(quantumwire)；当三个维度的尺寸都缩小到一个波长

4、以下时，就成为量子点了（quantumdot）。若要严格定义量子点，则必须由量子力学(quantummechanics)出发。我们知道电子具有粒子性与波动性，电子的物质波特性取决于其费米波长(Fermiwavelength)λF= 2π / kF量子阱、量子线及量子点能级比较关系示意图所以并非小到100nm以下的材料就是量子点，真正的关键尺寸是由电子的德布罗意波长或平均自由程。一般而言，电子费米波长在半导体内较在金属内长得多，例如在半导体材料砷化镓GaAs中，费米波长约40nm，在铝金属中却只有0.36nm

5、。1.化学溶胶法(chemicalcolloidalmethod)：可制作复层(multilayered)量子点，过程简单，且可大量生产。量子点的制造方法：量子点的制备可采用分子束外延技术在各种自然表面上直接生长的方法。如在小偏角表面(vicinalsurface)超台阶面(supersteps)、高指数表面等或者在一些由人工做出的图形衬底上生长。如V形槽、在掩膜表面上选择局部生长、自组织生长法等。下面介绍几种具体的制备方法2.自组成法(self-assemblymethod)采用分子束磊晶(molecul

6、ar-beamepitaxy)或化学气相沉积(chemicalvapordeposition)制程，并利用晶格不匹配(latticemismatch)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。在GaAs基材上以自组成法生长InAs量子点的STM影像(取自Ref.2)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。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4.分

7、闸法(split-gateapproach)：以外加电压的方式在二维量子井平面上产生二维侷限，可控制闸极(Gate)改变量子点的形状与大小，适合用于学术研究，但无法大量生产。以分闸法产生GaAs/AlGaAs量子点之SEM影像量子点的用途相当广泛，例如：可用于蓝光雷射、光感测元件、单电子电晶体(singleelectrontransistor,SET)、记忆储存、触媒以及量子计算(quantumcomputing)等，在医疗上更利用各种发光波长不同的量子点制成萤光标签，成为生物检测用的「纳米条码」。量子点是

8、目前理论上与实验上的热门研究题目，世界各国无不积极投入研究，主要领先的有美国、日本、欧盟及俄罗斯等，台湾也正在急起直追中。量子点激光器简单地说,量子点激光器是由一个激光母体材料和组装在其中的量子点以及一个激发并使量子点中粒子数反转的泵源所构成。一个实际量子点激光器（砷化镓铟量子点激光器）的结构示意图如图所示。能态计算对于不同维度的电子体系,许多独特的光学性质来源于它们的态密度。态密度是指单位体积在能量E附近单位能