§ 碱金属原子光谱的精细结构 一．碱金属光谱的精细结构 碱金属光谱的每一条光谱是由二条或三条线组成，如图所示。 二、定性解释 为了解释碱金属光谱的精细结构，可以做如下假设： 1．P 、D 、F 能级均为双重结构，只S 能级是单层的。 2．若l 一定，双重能级的间距随主量子数n 的增加而减少。 3．若n 一定，双重能级的间距随角量子数l 的增加而减少。 4．能级之间的跃迁遵守一定的选择定则。 根据这种假设，就可以解释碱金属光谱的精细结构。 § 电子自旋同轨道运动的相互作用 一、电子自旋角动量和自旋磁矩 1925年，荷兰的乌伦贝克和古德史密特提出了电子自旋的假设： 每个电子都具有自旋的特性，由于自旋而具有自旋角动量S 和自旋磁矩s ，它 们是电子本身所固有的，又称固有矩和固有磁矩。 自旋角动量： 2*2)1(h s h s s p s ，2 1 s 外场方向投影： 2h m S s z ， 2 1 s m 共2个， 自旋磁矩：s s p m e 外场方向投影： 共两个?偶数，与实验结果相符。 1928年，Dirac 从量子力学的基本 方程出发，很自然地导出了电子自旋的 性质，为这个假设提供了理论依据。 二、电子的总角动量 电子的运动=轨道运动+自旋运动 轨道角动量： 2*2)1(h l h l l p l 12,1,0 n l 自旋角动量： 2*2)1(h s h s s p s 21 s 总角动量： s l j p p p 2*2)1(h j h j j p j s l j ，1 s l ，……s l
当s l 时，共12 s 个值 当s l 时，共12 l 个值 由于 2 1 s 当0 l 时，2 1 s j ，一个值。 当 3,2,1 l 时，2 1 l j ，两个值。 例如：当1 l 时，23211 j 21211 j l p 和s p 不是平行或反平行，而是有一定的夹角 当s l j 时 0)1() 1(cos s s s l l l ，o 90 ，称l p 和s p “平行” 当s l j 时 0)1()1(1 cos s s s l l l ，o 90 ，称l p 和s p “反平行” 原子的角动量=电子轨道运动的角动量+电子自旋运动角动量+核角动量。 原子的磁矩=电子轨道运动的磁矩+电子自旋运动磁矩+核磁矩。 三、电子轨道运动的磁矩 电子轨道运动的闭合电流为：T e i “-”表示电流方向与电子运动方向相反 面积：dt r rd r dA 22 121 一个周期扫过的面积： 2)1(h l l p l 是量子化的 B l l l m he l l p m e )1(4)1(2 量子化的。 223102740.94m A m he B ? 玻尔磁子 2h m L l z 空间取向量子化 四、自旋—轨道相互作用能 电子由于自旋运动而具有自旋磁矩： 具有磁矩的物体在外磁场中具有磁能： 电子由于轨道运动而具有磁场： 考虑相对论效应后，再乘以因子2 1做修正 r 是一个变量，用平均值代替：
1．前言 在最近的几十年里，量子点（QDs）即半导体纳米晶体（NCs）由于具有独特的电子和发光性质以及量子点在生物标记,发光二极管，激光和太阳能电池等领域的应用成为大家关注的焦点。量子点尺寸大约为1-10 纳米，它的尺寸和形状可以精确的通过反应时间、温度、配体来控制。当量子点尺寸小于它的波尔半径的时候，量子点的连续能级开始分离，它的值最终由它的尺寸决定。随着量子点的尺寸变小，它的能隙增加，导致发射峰位置蓝移。由于这种量子限域效应，我们称它为“量子点”。1998 年, Alivisatos和Nie 两个研究小组首次解决了量子点作为生物探针的生物相容性问题, 他们利用MPA 将量子点从氯仿转移到水溶液，标志着量子点的生物应用的时代的到来。目前，量子点最引人瞩目的的应用领域之一就是在生物体系中做荧光探针。 与传统的有机染料相比，量子点具有无法比拟的发光性能，比如尺寸可调的荧光发射，窄且对称的发射光谱宽且连续的吸收光谱，极好的光稳定性。通过调节不同的尺寸，可以获得不同发射波长的量子点。窄且对称的荧光发射使量子点成为一种理想的多色标记的材料。 由于宽且连续的吸收光谱，用一个激光源就可以同时激发一系列波长不同荧光量子点量子点良好的光稳定性使它能够很好的应用于组织成像等。量子点集中以上诸多优点是十分难得的，因此这就要求我们制备出宽吸收带，窄且对称的发射峰，高的量子产率稳定和良好生物兼容性的稳定量子点。 现在用作荧光探针的量子点主要有单核量子点（CdSe，CdTe，CdS）和核壳式量子点（CdSe/ZnS[39], CdSe/ZnSe[40]）。量子点的制备方法主要分为在水相体系中合成和在有机相体系中合成。本文主要以制备量子点的结构及合成方法为主线分为两部分：第一部分综述了近十几年量子点在有机相中的制备方法的演变历程，重点包括前体的选择，操作条件和合成量子点结构。第二部分介绍了近十几年量子点在水相中制备方法的改进历程，重点包括保护剂的选择及水热法及微波辅助法合成方法。 2．在有机体系中制备在有机相中制备量子点主要采用有机金属法，有机金属法是在高沸点的有机溶剂中利用前躯体热解制备量子点的方法，即将有机金属前躯体溶液注射进250～300℃的配体溶液中，前躯体在高温条件下迅速热解并成核，晶核缓慢生长成为纳米晶粒。通过配体的吸附作用阻滞晶核生长，并稳定存在于溶剂中。配体所采用的前躯体主要为烷基金属（如二甲基隔）和烷基非金属（如二-三甲基硅烷基硒）化合物，主配体为三辛基氧化膦（TOPO），溶剂兼次配体为三辛基膦（TOP）。这种方法制备量子点，具有可制备量子点的种类多、改进纳米颗粒性能的方法多及所量子点的量子产率高等优点，其粒径分布可用多种手段控制，因而成为目前制备量子点的主要方法。 2.1 单核量子点的制备1993 年，Murray 等采用有机金属试剂作为反应前驱物，在高温有机溶剂中通过调节反应温度，合成了量子产率约为10%、单分散(±5%)的CdSe 量子点。他们采用TOPO 作为有机配位溶剂，用Cd(CH3)2 和TOP-Se 作为反应前驱物，依次将其注入到剧烈搅拌的350℃TOPO 溶液中，在短时间内生成大量的CdSe 纳米颗粒晶核，然后迅速降温至240℃以阻止CdSe 纳米颗粒继续成核，随后升温到260～280℃并维持一段时间，根据其吸收光谱监测晶体的生长，当晶体生长到所需要的尺寸时，将反应液冷却至60℃。加入丁醇防止TOPO 凝固，随后加入过量的甲醇，由于CdSe 纳米颗粒不溶于甲醇，通过离心便可得到CdSe 纳米颗粒。通过改变温度，可以将粒径控制在2.4～13nm 之间，且表面的TOPO 可以用吡啶、呋喃等代替。此后，Peng 等又通过进一步优化工艺条件,将两组体积不同，配比一定的Cd (CH3) 2、Se、TOP 的混合溶液先后快速注入高温TOPO 中的方法制得了棒状的CdSe量子点，从而扩展了该合成方法对量子点纳米晶粒形状的控制。利用这种
量子点光学传感器的研究进展 * 来守军 (重庆三峡学院化学与环境工程学院,重庆404000 摘要分别从荧光转换传感器、荧光共振能量传感器、磷光转换传感器和定位传感器等方面综述了量子点光学传感器的发生机理及其在测定金属离子、阴离子、小分子、共振能量转移体系以及磷光材料、固态材料方面的应用。最后介绍了量子点光学传感器存在的问题和发展趋势。 关键词量子点光学传感器 Research Development of Opt ical Sensor Based on Q uant um Dots LAI Shoujun (Depa rtment of Chem istry and Env ir onmental Eng ineering,Cho ng qing T hr ee G or ge U niver sity,Cho ng qing 404000Abstract T he r esear ch dev elopment o f the o pt ical sensor based o n quantum do ts is rev iewed f rom four sect ions,which are fluo rescence -based transduction,fluorescence resonance energ y -tr ansfer -based senso rs,phospho rescence transduction,and immobilizatio n techniques,and it s applications are also rev iewed.T he exist ing pro blems and develo p -ments trend of the optical senso r based o n quantum do ts are intro duced. Key words quantum do ts,optical,senso r *重庆市教育委员会科学技术研究项目资助(KJ081102 来守军:男,1977年生,讲师,博士研究生,主要从事量子点传感器方面的研究 T el:023-******** E -mail:laishj04@https://www.doczj.com/doc/5112530834.html,
光子学原理课程期末论文 ——量子阱原理及其应用 信息科学与技术学院 08电子信息工程 杨晗 23120082203807
题目：量子阱原理及其应用 作者：杨晗 23120082203807 摘要：随着半导体量子阱材料的发展,量子阱器件广泛应用于各种领域.本文主 要介绍量子阱的基本特征,重点从量子阱材料、量子阱激光器、量子阱LED、等方面介绍量子阱理论在光电器件方面的发展及其应用。 关键词：量子阱量子约束激光器 量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱，简单来说，就是由多个势阱构成的量子阱结构为多量子阱，简称为MQW（Multiple Quantum Well），而由一个势阱构成的量子阱结构为单量子阱，简称为SQW（Single Quantum Well）。 一量子阱最基本特征 由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。量子肼中的电子态、声子态 和其他元激发过程以及它们之间 的相互作用，与三维体状材料中的 情况有很大差别。在具有二维自由 度的量子阱中，电子和空穴的态密 度与能量的关系为台阶形状。而不 是象三维体材料那样的抛物线形 状[1]。 图1半导体超晶格的层状结构，白圈和灰圈代 表两种材料的原子
量子点LED专题报告 一、什么是量子点LED？ 量子点LED是把有机材料或者LED芯片和高效发光无机纳米晶体结合在一起而产生的具有新型结构的量子点有机发光器件。相对于传统的有机荧光粉，量子点具有发光波长可调（可覆盖可见和近红外波段）、荧光量子效率高（可大于90%）、颗粒尺寸小、色彩饱和度高、可 低价溶液加工、稳定性高等优点，尤其值得注意的是高色纯度的发光使得其色域已经可以超过HDTV标准色三角。因此基于量子点的发 光二极管，有望应用于下一代平板显示和照明。
表征量子点的光电参数: 1、光致发光谱（PL谱）：光致发光谱反映的是发射光波长与发光强度的关系。从PL谱上可以得到发光颜色的单色性、复合发光的机制、量子点的颗粒尺寸大小及分布均匀性、本征发射峰波长等基本光学信息。量子点光致发光谱的半高宽越窄，说明量子点的发光单色性越好，器件的缺陷和杂质复合发光越少。 2、紫外可见吸收谱：量子点的紫外可见吸收谱反映的是量子点对不同波长光的吸收程度，从谱中吸收峰的位置可计算出量子点的禁带宽度。量子点吸收谱的第一吸收峰与光致发光谱的发射峰的偏移是斯托
克斯位移，斯托克斯位移越大，量子点的自吸收越弱，量子点的荧光强度越高。 3、光致发光量子产率：量子点溶液的光致发光量子产率是通过与标准荧光物质（一般用罗丹明6G）的荧光强度对比而测出。量子点高的量子产率能有效提升器件的发光效率，但纯核量子点沉积成薄膜后量子产率将比在溶液中的量子产率下降1到2个数量级。量子点也存在荧光自淬灭现象，这是由存在于不均匀尺寸分布的量子点中的激子通过福斯特能量转移到非发光点进行非辐射复合所引起。 二、量子点LED在照明显示中的应用方案 量子点的发射峰窄、发光波长可调、荧光效率高、色彩饱和度好，非常适合用于显示器件的发光材料。量子点LED在照明显示领域中的应用方案主要包括两个方面：a、基于量子点光致发光特性的量子点背光源技术（QD-BLU，即光致量子点白光LED）；b、基于量子点电致发光特性的量子点发光二极管技术（QLED）。
班级：物理1201班 姓名：吴为伟 学号：20121800121 时间：2014年7月1日 ——量子点的制备及特性分析 大学物理实验报告
课题意义： 量子点是一种准零维半导体纳米晶体，其三个维度的尺寸都在几到几十纳米，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向的运动都受到限制，可以产生类似于原子的分立能级。量子点具有量子尺寸效应、量子限域效应以及表面效应等特殊效应。量子尺寸效应是指半导体量子点的带隙相对于体材料发生蓝移，并且随着量子点尺寸的减小，蓝移量增大，在光学性质方面引起吸收和发射光谱的蓝移现象：而且，相对于体材料，量子点还具有吸收和发光效率高的优点。量子点的这些有益光学特性使其在生物荧光标记、太阳能电池、发光二极管、激光器、探测器、量子计算机等新型光电子器件方面都具有非常重要的应用前景，成为各国科研人员研究的热点，并在多个学科中引起很大的反响。 实验目的： 本课题实验要求通过有机液相法制备CdS量子点、以及对其吸收和荧光光谱的测量，了解量子点的生长过程、吸收和荧光光谱基本原理和特点，以及量子尺寸效应的基础知识。 实验器材： 实验仪器：量子点制备设备一套、分析天平、离心机、吸收谱仪和荧光谱仪等。 化学试剂：硫粉（S）、氧化镉(CdO)、油酸(OA)、十八碳烯（ODE）、甲醇、正己烷、高纯氩气（Ar）等。 实验原理： 有机液相法 即以有机溶液为介质，以具有某些特殊性质的无机物和有机物作为反应原料，在适当的化学反应条件下合成纳米晶材料的方法。通常这些反应物、中间产物、生成物都是对水、空气敏感，在水溶液中不能稳定存在。最常用的方式是在无水无氧条件下的有机溶剂中进行的化学反应。通过改变反应温度、时间、反应物浓度、配体种类、含量等参数，可以制备出具有不同尺寸的纳米晶体。该方法制备的纳米晶体在尺寸和形貌上通常具有很好的单分散性，纳米晶质量高；而且，由于反应是在有机介质中进行，生成的纳米晶在有机溶剂中具有良好的分散性，非常有利于实际应用。 液相法生长纳米晶一般包括三个阶段：成核过程、生长过程和熟化过程。当溶质的量高于溶解度时，溶液过饱和，晶体就会从液体中析出，形成晶核，这就是成核过程。晶核的数量和成核速度是由溶液的过饱和度决定的。溶质从饱和溶液中运输到晶体表面，并按照晶体的结构重排，这就是生长过程。该过程主要是
量子点发光材料综述 1.量子点简介 1.1量子点的概述 量子点(quantum dot, QD)是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料，而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm[1]。更进一步的规定指出，量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径，其尺寸通常在1-10nm左右[2]。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径，量子点能表现出明显的量子点限域效应，此时载流子在三个方向上的运动受势垒约束，这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。量子点中的电子和空穴被限域，使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构[1]。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。 1.2量子点的特性 由于量子点中载流子运动受限，使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构，表现出与对应体材料完全不同的光电特性。 1.2.1 量子尺寸效应 纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制，能量发生量子化，连续能带变为分立的能级结构，带隙展宽，从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化[3]。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明，随着量子点尺寸的缩小，其荧光将会发生蓝移，且尺寸越小效果越显著[4]。 1.2.2 表面效应 纳米颗粒的比表面积为A m=S V =4πR2 4 3 πR3 =3 R ，也就是说量子点比表面积随着颗 粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小，拥有极大的比表面积，其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时，会对量子点的光学性质产生极大影响[5]。 1.2.3 量子隧道效应 量子隧道效应是基本的量子现象之一。简单来说，即当微观粒子(例如电子等)能量小于势垒高度时，该微观粒子仍然能越过势垒。当多个量子点形成有序阵列，载流子共同越过多个势垒时，在宏观上表现为导通状态。因此这种现象又
量子阱半导体激光器 ：本文主要叙述了量子阱半导体激光器发展背景、基本理论、主要应用与发展现状。一、发展背景 1962年后期，美国研制成功GaAs同质结半导体激光器，第一代半导体激光器产生。但 这一代激光器只能在液氮温度下脉冲工作，无实用价值。直到1967年人们使用液相外延的方法制成了单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1970年，贝尔实验室有一举实现了双异质结构的在室温下连续工作的半导体激光器。至此之后，半导体激光 器得到了突飞猛进的发展。半导体激光器具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围 广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。其发展速度之快、 应用范围之广、潜力之大是其它激光器所无法比拟的。但是，由于应用的需要，半导体激光 器的性能有待进一步提高。 80年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出现了大的飞跃。量子阱结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。当超薄有源层材料 后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电 子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完
全不同的形状与结构。在此基础上，根据需要，通过改变超薄层的应变量使能带结构发生变 化，发展起来了应变量子阱结构。这种所谓“能带工程”赋予半导体激光器以新的生命力， 其器件性能出现大的飞跃。具有量子阱结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器 (DH)相比，具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、 寿命长、激射波长可以更短等等优点。目前，量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的 根本动力。 其发展历程大概为：1976年，人们用GaInAsP/InP实现了长波长激光器。对于激光腔 结构，Kogelnik和Shank提出了分布反馈结构，它能以单片形式形成谐振腔。Nakamura用实验证明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反馈激光器(DBR)。Suematsu提出了用于光通信的动态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想法。1977年，人们提出了所谓的面 发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。目前，垂直腔面发射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太网的高速网络。自从Nakamura实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激 光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器、DVD系统和高密度光存储器。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器研制成功，且最近，在此又基础上
关于氢原子光谱的超精细结构的研究 摘要：本文通过介绍原子核的结构、原子核的自旋以及核磁矩，讨论了氢原子光谱的超精细结构的产生原因并介绍了相关公式推导。 关键词：光谱；氢原子；超精细结构 原子核的结构 1、原子核 自卢瑟福提出原子的核式模型以来，原子就被分为两部分来处理：一是处于原子中心的原子核，一是绕核运动的电子。除了原子核的质量和电荷外，原子核的其他性质对原子的影响是相当微小的，核外电子的行为对原子核的性质也几乎毫无关系。原子和原子核是物质结构泾渭分明的两个层次。 2、原子核的结构 发现中子之前，人们知道的“基本”粒子只有两种：电子和质子。物理学家开始时有把原子核当做质子和电子的组成体的想法，但一开始就遇到了不可克服的困难。因为假如原子核由质子和电子所组成，那么，我们将无法解释核的自旋，且推导出来的原子核内电子的能量与实验结果不符。在查德威克发现中子之后，海森堡很快就提出了原子核由质子和中子所组成的假说。海森堡把质子和中子统称为核子，并把中子和质子看做核子的两个不同状态。 原子核的自旋以及核磁矩 1、电子自旋 在乌仑贝克和古兹米特提出电子自旋之前，泡利为了解释原子光谱的超精细结构，就提出了原子核作为一个整体必须有自旋的假设。但是，只有在查德威克发现中子之后，人们才理解自旋的起源。实验发现，中子和质子都是费米子，具有的固有角动量（自旋）与电子一样。既然原子核式中子和质子所组成，它的自旋就应该是中子和质子的轨道角动量和自旋之和。我们研究的“原子核的自旋”，都是指原子核基态的自旋。 2、核磁矩 除了核子的自旋磁矩外，我们还要考虑轨道磁矩。下面给出自核自旋的核磁矩的表示式。类似于原子磁矩的表示式，核磁矩和核自旋角动量I成正比。 μI = g IμN I 在磁场中，核自旋磁矩与磁场相互作用所产生的附加能量为 U = -μI ?B = -g IμN Bm I 因为m I有2I+1个值，所以有2I+1个不同的附加能量，于是就发生赛曼能级分裂，一条核能级在磁场中就分裂为2I+1条，相邻两条分裂能级间的能量差为 上述对核自旋磁矩与磁场的相互作用的讨论是下面研究氢原子光谱的超精细结构的基础。 氢原子的超精细结构光谱 最初讨论原子中的电子运动时，只考虑电子和原子核之间的库仑相互作用，后来随着实验水平的提高，人们发现了H的谱线并不是一条，由此引入电子自旋的概念，从而产生了了氢原子的精细结构。
科技信息2011年第29期 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 0引言 近年来半导体材料科学主要朝两个方向发展:一方面是不断探索扩展新的半导体材料,即所谓材料工程;另一方面是逐步从高维到低维深入研究己知半导体材料体系,这就是能带工程。半导体量子点就是通过改变其尺寸实现能级的改变,达到应用的目的,这就是半导体量子点能带工程。半导体量子点是由少量原子组成的准零维纳米量子结构,原子数目通常在几个到几百个之间,三个维度的尺寸都小于100纳米。载流子在量子点的三个维度上运动受尺寸效应限制,量子效应非常显著。在量子点中,由于量子限制效应作用,其载流子的能级类似原子有不连续的能级结构,所以量子点又叫人造原子。由于特殊能级结构,使得量子点表现出独特的物理性质,如量子尺寸效应、量子遂穿效应、库仑阻塞效应、表面量子效应、量子干涉效应、多体相关和非线性光学效应等,它对于基础物理研究和新型电子和光电器件都有很重要的意义,量子点材料生长和器件应用研究一直是科学界的热点之一[1]。 1量子点制备方法 目前对量子点的制备有很多方法,主要有外延技术生长法、溶胶-凝胶法(Sol-gel 和化学腐蚀法等,下面简单介绍这几种制备方法: 1.1外延技术法 外延技术法制备半导体量子点,主要是利用当前先进的分子束外延(MBE、金属有机物分子束外延(MOCVD和化学束外延(CBE等技术通过自组装生长机理,在特定的生长条件下,在晶格失配的半导体衬底上通过异质外延来实现半导体量子点的生长,在异质外延外延中,当外延材料的生长达到一定厚度后,为了释放外延材料晶格失配产生的应力能,外延材料就会形成半导体量子点,其大小跟材料的晶格失配度、外延过程中的条件控制有很大的关系,外延技术这是目前获得高质量半导体量子点比较普遍的方法,缺点是对半导体量子点的生长都是在高真空或超高真空下进行,使得材料生长成本非常高。1.2胶体法
量子点 1.量子点简介 1.1量子点的概述 量子点(quantum dot, QD)是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料，而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm[1]。更进一步的规定指出，量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径，其尺寸通常在1-10nm左右[2]。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径，量子点能表现出明显的量子点限域效应，此时载流子在三个方向上的运动受势垒约束，这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。量子点中的电子和空穴被限域，使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构[1]。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。 1.2量子点的特性 由于量子点中载流子运动受限，使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构，表现出与对应体材料完全不同的光电特性。 1.2.1 量子尺寸效应 纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制，能量发生量子化，连续能带变为分立的能级结构，带隙展宽，从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化[3]。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明，随着量子点尺寸的缩小，其荧光将会发生蓝移，且尺寸越小效果越显著[4]。 1.2.2 表面效应 纳米颗粒的比表面积为，也就是说量子点比表面积随着颗 粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小，拥有极大的比表面积，其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时，会对量子点的光学性质产生极大影响[5]。 1.2.3 量子隧道效应 量子隧道效应是基本的量子现象之一。简单来说，即当微观粒子(例如电子等)能量小于势垒高度时，该微观粒子仍然能越过势垒。当多个量子点形成有序阵列，载流子共同越过多个势垒时，在宏观上表现为导通状态。因此这种现象又
量子点的制备实验 1、量子点的制备方法 1．1胶体化学法 胶体化学法就是在胶体溶液中制备纳米晶，通常都会加入一定的稳定剂，稳定剂会和纳米晶体粒子表面原子键合，从而阻止纳米晶粒之间的团聚，这样制得的颗粒单分散性会比较好。利用这种方法合成的纳米晶体粒子粒度可控、表面缺陷较少，但容易发生絮凝和粒子团聚。 1．2模板法 模板法合成的原理很简单，设计一个“笼子’’尺寸为纳米级，让成核和生长在该“纳米笼"中进行，在反应充分进行后，“纳米笼”的大小和形状就决定了作为产物的纳米颗粒的尺寸和形状。模板法的优点：实验装置简单、形态可控、操作容易、适用面广，可以合成更多特殊形态的纳米粒子。 1．3溶胶．凝胶法 溶胶．凝胶法是制成固体粉末的常用方法。该方法主要优点为成本低廉、制备条件简单、制得的纳米材料分散性好、纯度高。 1．4溶剂热法 溶剂热法就是在特制的高压釜中，反应体系为水溶液或有机溶剂，将反应体系加热到临界温度(或接近临界温度)，这样在反应体系中产生高压环境，在该环境中进行无机合成与材料制备的一种有效方法。 1．5乳液法 乳液法是指互不相溶的两种液体，在一定量的乳化剂作用下，水相以微液滴状形式分散在油相中所形成的体系。以此为反应体系，进行各种特定的反应，从而制得纳米级颗粒。2．1实验药品与实验设备 2．1．1实验药品
2．2实验表征手段 表征纳米材料的方法各式各样，采用的表征仪器主要有：X射线衍射、透射电镜、紫外一可见吸收光谱、荧光光谱。 XRD分析是以晶体结构为基础，通过对比衍射图谱，分析不同晶体的物相。晶体物相都具有特定的结构参数，包括点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的数目、位置等。结构参数不同，XRD图谱也不同，所以通过比较XRD图谱可以区分出不同的物相以波长极短的电子束做辐射源，用电磁透镜聚焦成像的透射电镜是一种具有高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。它可以通过直接获取直观的纳米材料形貌、结构信息紫外．可见吸收光谱是指当光入射到样品时，样品中的价带电子吸收光子能量，将从基态激发到激发态。因此通过获取样品的透射束，就可以得到被吸收光的波长和强度，获取样品的吸收谱 发射光谱是指物质吸收一定能量后，传递给发光中心，使电子激发至高能态，从高能态再跃迁至不同较低能级时，会发出一定波长的光。发射光谱常常采用某一固定波长激发，通过测量发光强度随着波长(频率或波数)的变化关系，获取发光的能量随波长或频率变化的荧光光谱图。根据发光中心性质的不同可以获得不同的带状或线状谱，以及不同的发光颜色。 3 热注射法制备单分散硫化镉量子点 Cd S是典型的II．VI族半导体，具有优异的光电转化特性，被用来作为太阳能电池的窗口材料。当Cd S变为纳米尺度时，量子尺寸效应使其向短波方向移动，我们能看到的就是颜色的变化。当粒度为5-6nm时，颜色由体材料的黄色变为浅黄色，纳米材料的表面效应引起Cd S纳米颗粒表面原子输送和构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化，影响其光学、电学及非线性光学等性质。 本实验采用热注射法，较绿色的氧化镉作为镉源，单质硫粉作为硫源，油酸作为配体利用油酸和吗啡啉的酰胺化反应制备出N．油酰基．吗啡啉，代替传统的有毒、易氧化、易爆炸的TOP或TBP作为单质硫的溶剂，来制备高质量、单分散的Cd S量子点。通过改变反应时间、反应温度、配体的量以及前驱物的摩尔比来控制Cd S量子点的颗粒粒径大小、尺寸分布和反应速度。 3．1单分散Cd S量子点的热注射法制备过程 称取0．0169硫粉(S)，加入5mLN．油酰基．吗啡啉(N．OLM)，在室温下搅拌溶解，然后抽取到10mL的注射器中作为S的前驱储备液。称取0．0649氧化镉(Cd O)，量取1．5mL 油酸(OA)和6mL十八烯(ODE)放入三颈瓶中，在气氛保护下，持续搅拌加热到特定温度下(例如230℃)，使Cd O溶解。在这个温度下，将含硫溶液迅速注入到含镉溶液中，此时温度会下降到一个相对应的温度(例如210℃)。维持该温度，间隔不同的反应时间取lmL样注入到2mL甲苯溶液中，加入甲醇，使含Cd S量子点的粗甲苯溶液产生明显浑浊现象，进行离心，使得固体下沉在离心管的底部。将上清液倒掉，再用少量甲苯分散量子点后。重复三次以上，洗掉大部分有机反应物。最后将Cd S量子点分散到甲苯中，做HRTEM、UV-vis、PL、XRD等相关测试。其中PL测试时，所用的激发波长为350nm。大致的制备过程流程如图2．2所示。
§4.3 碱金属原子光谱的精细结构 一．碱金属光谱的精细结构 碱金属光谱的每一条光谱是由二条或三条线组成，如图所示。 二、定性解释 为了解释碱金属光谱的精细结构，可以做如下假设： 1．P 、D 、F 能级均为双重结构，只S 能级是单层的。 2．若l 一定，双重能级的间距随主量子数n 的增加而减少。 3．若n 一定，双重能级的间距随角量子数l 的增加而减少。 4．能级之间的跃迁遵守一定的选择定则。 根据这种假设，就可以解释碱金属光谱的精细结构。 §4.4 电子自旋同轨道运动的相互作用 一、电子自旋角动量和自旋磁矩 1925年，荷兰的乌伦贝克和古德史密特提出了电子自旋的假设： 每个电子都具有自旋的特性，由于自旋而具有自旋角动量S 和自旋磁矩s μ ，它们是电子 本身所固有的，又称固有矩和固有磁矩。 自旋角动量：ππ2*2)1(h s h s s p s =+=，2 1=s
外场方向投影：π2h m S s z =， 21±=s m 共2个， 自旋磁矩：s s p m e -=μ B s s h s s m e p m e μπ μ32)1(-=+-=- = 外场方向投影： B z z S m e μμ±=-= 共两个?偶数，与实验结果相符。 1928年，Dirac 从量子力学的基本方程出发，很自然地导出了电子自旋的性质，为这个假设提供了理论依据。 二、电子的总角动量 电子的运动=轨道运动+自旋运动 轨道角动量：π π2*2)1(h l h l l p l =+= 12,1,0-=n l 自旋角动量：ππ2*2)1(h s h s s p s =+= 2 1=s 总角动量： s l j p p p += π π2*2)1(h j h j j p j =+= s l j +=，1-+s l ，……s l - 当s l >时，共12+s 个值 当s l <时，共12+l 个值 由于 2 1=s 当0=l 时，2 1==s j ，一个值。 当 3,2,1=l 时，2 1±=l j ，两个值。 例如：当1=l 时，23211=+=j 2 1211=-=j π π222)1(h h l l p l =+= ππ2232)1(h h s s p s =+=
量子点的制备方法综述及展望 1．前言 在最近的几十年里，量子点（QDs）即半导体纳米晶体（NCs）由于具有独特的电子和发光性质以及量子点在生物标记,发光二极管，激光和太阳能电池等领域的应用成为大家关注的焦点。英语论文。 量子点尺寸大约为1-10 纳米，它的尺寸和形状可以精确的通过反应时间、温度、配体来控制。当量子点尺寸小于它的波尔半径的时候，量子点的连续能级开始分离，它的值最终由它的尺寸决定。随着量子点的尺寸变小，它的能隙增加，导致发射峰位置蓝移。由于这种量子限域效应，我们称它为“量子点” 。1998 年 , Alivisatos和 Nie 两个研究小组首次解决了量子点作为生物探针的生物相容性问题, 他们利用MPA 将量子点从氯仿转移到水溶液，标志着量子点的生物应用的时代的到来。目前，量子点最引人瞩目的的应用领域之一就是在生物体系中做荧光探针。 与传统的有机染料相比，量子点具有无法比拟的发光性能，比如尺寸可调的荧光发射，窄且对称的发射光谱宽且连续的吸收光谱，极好的光稳定性。通过调节不同的尺寸，可以获得不同发射波长的量子点。窄且对称的荧光发射使量子点成为一种理想的多色标记的材料。 由于宽且连续的吸收光谱，用一个激光源就可以同时激发一系列波长不同荧光量子点量子点良好的光稳定性使它能够很好的应用于组织成像等。硕士网为你提供计算机硕士论文。 量子点集中以上诸多优点是十分难得的，因此这就要求我们制备出宽吸收带，窄且对称的发射峰，高的量子产率稳定和良好生物兼容性的稳定量子点。 现在用作荧光探针的量子点主要有单核量子点（CdSe，CdTe，CdS）和核壳式量子点（CdSe/ZnS[39], CdSe/ZnSe[40]）。量子点的制备方法主要分为在水相体系中合成和在有机相体系中合成。 本文主要以制备量子点的结构及合成方法为主线分为两部分：第一部分综述了近十几年量子点在有机相中的制备方法的演变历程，重点包括前体的选择，操作条件和合成量子点结构。第二部分介绍了近十几年量子点在水相中制备方法的改进历程，重点包括保护剂的选择及水热法及微波辅助法合成方法。 2．在有机体系中制备在有机相中制备量子点主要采用有机金属法，有机金属法是在高沸点的有机溶剂中利用前躯体热解制备量子点的方法，即将有机金属前躯体溶液注射进250～300℃的配体溶液中，前躯体在高温条件下迅速热解并成核，晶核缓慢生长成为纳米晶粒。通过配体的吸附作用阻滞晶核生长，并稳定存在于溶剂中。配体所采用的前躯体主要为烷基金属（如二甲基隔）和烷基非金属（如二-三甲基硅烷基硒）化合物，主配体为三辛基氧化膦（TOPO），溶剂兼次配体为三辛基膦（TOP）。这种方法制备量子点，具有可制备量子点的种类多、改进纳米颗粒性能的方法多及所量子点的量子产率高等优点，其粒径分布可用多种手段控制，因而成为目前制备量子点的主要方法。 2.1 单核量子点的制备1993 年，Murray 等采用有机金属试剂作为反应前驱物，在高温有机溶剂中通过调节反应温度，合成了量子产率约为10%、单分散(± 5%)的CdSe 量子点。他们采用TOPO 作为有机配位溶剂，用Cd(CH3)2 和TOP-Se 作为反应前驱物，依次将其注入到剧烈搅拌 的350℃TOPO 溶液中，在短时间内生成大量的CdSe 纳米颗粒晶核，然后迅速降温至240℃以阻止CdSe 纳米颗粒继续成核，随后升温 到260～280℃并维持一段时间，根据其吸收光谱监测晶体的生长，当晶体生长到所需要的尺寸时，将反应液冷却至60℃。加入丁醇防止TOPO 凝固，随后加入过量的甲醇，由于CdSe 纳米颗粒不溶于甲醇，通过离心便可得到CdSe 纳米颗粒。通过改变温度，可以将粒径控制在2.4～13nm 之间，且表面的TOPO 可以用吡啶、呋喃等代替。此后，Peng 等又通过进一步优化工艺条件 ,将两组体积不同，配比一定的Cd (CH3) 2、 Se、TOP 的混合溶液先后快速注入高温 TOPO 中的方法制得了棒状的 CdSe量子点，从而扩展了该合成方法对量子点纳米晶粒形状的控制。利用这种方法合成的量子点受到杂质和晶格缺陷的影响，因此量子产率较低。由于Te 更容易被氧化，所以制备高质量的CdTe 要比制备CdSe，CdS 难得多。2001 年，Dmitri.V 等用DDA(十二胺)代替TOPO作反应溶剂合成高质量的CdTe 量子点，量子产率可达65%，且窄的发射光谱覆盖红色和绿色
量子点总结
1．前言 在最近的几十年里，量子点（QDs）即半导体纳米晶体（NCs）由于具有独特的电子和发光性质以及量子点在生物标记,发光二极管，激光和太阳能电池等领域的应用成为大家关注的焦点。量子点尺寸大约为1-10 纳米，它的尺寸和形状可以精确的通过反应时间、温度、配体来控制。当量子点尺寸小于它的波尔半径的时候，量子点的连续能级开始分离，它的值最终由它的尺寸决定。随着量子点的尺寸变小，它的能隙增加，导致发射峰位置蓝移。由于这种量子限域效应，我们称它为“量子点”。1998 年 , Alivisatos 和 Nie 两个研究小组首次解决了量子点作为生物探针的生物相容性问题, 他们利用MPA 将量子点从氯仿转移到水溶液，标志着量子点的生物应用的时代的到来。目前，量子点最引人瞩目的的应用领域之一就是在生物体系中做荧光探针。 与传统的有机染料相比，量子点具有无法比拟的发光性能，比如尺寸可调的荧光发射，窄且对称的发射光谱宽且连续的吸收光谱，极好的光稳定性。通过调节不同的尺寸，可以获得不同发
射波长的量子点。窄且对称的荧光发射使量子点成为一种理想的多色标记的材料。 由于宽且连续的吸收光谱，用一个激光源就可以同时激发一系列波长不同荧光量子点量子点良好的光稳定性使它能够很好的应用于组织成像等。量子点集中以上诸多优点是十分难得的，因此这就要求我们制备出宽吸收带，窄且对称的发射峰，高的量子产率稳定和良好生物兼容性的稳定量子点。 现在用作荧光探针的量子点主要有单核量子点（CdSe，CdTe，CdS）和核壳式量子点（CdSe/ZnS[39], CdSe/ZnSe[40]）。量子点的制备方法主要分为在水相体系中合成和在有机相体系中合成。本文主要以制备量子点的结构及合成方法为主线分为两部分：第一部分综述了近十几年量子点在有机相中的制备方法的演变历程，重点包括前体的选择，操作条件和合成量子点结构。第二部分介绍了近十几年量子点在水相中制备方法的改进历程，重点包括保护剂的选择及水热法及微波辅助法合成方法。
目录 摘要 ........................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................ II 第一章绪论 . (1) 1.1 引言 (1) 1.2 半导体激光器研究进展概述 (2) 1.3 锑化物激光器发展概况 (4) 1.4 本论文的主要研究内容 (6) 第二章实验及材料测试原理 (8) 2.1 分子束外延技术及材料的生长工艺流程 (8) 2.2 半导体材料电学测试技术 (12) 2.3 X射线双晶衍射测试技术 (14) 2.4 光致发光测试技术 (16) 第三章GaSb材料MBE生长及掺杂特性研究 (19) 3.1 引言 (19) 3.2 GaSb薄膜材料的MBE生长实验 (20) 3.3 GaSb材料特性及N型和P型GaSb材料掺杂 (20) 3.4 本章小结 (24) 第四章Ⅰ型InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器材料外延生长研究 (25) 4.1 AlGaAsSb、InGaAsSb四元合金材料特性 (25) 4.2 InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱有源区组分调控 (26) 4.3 Ⅰ型InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器结构制备及特性 (30) 4.4 本章小结 (34) 第五章Ⅰ型InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器器件制作及器件性能研究 (35) 5.1 Ⅰ型InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器器件制作 (35) 5.2 Ⅰ型InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器器件性能 (37) 5.3本章小结 (38) 第六章结论 (39) 致谢 (40) 参考文献 (41) 硕士期间发表文章 (44)
上海大学2016～2017 学年秋季学期研究生课程考试 （论文） 课程名称：半导体材料(Semiconductor Materials) 课程编号：101101911 论文题目: 量子阱及量子阱半导体激光器简述 研究生姓名: 陈卓学号: 16722180 论文评语: （选题文献综述实验方案结论合理性撰写规范性不足之处） 任课教师: 张兆春评阅日期: 课程考核成绩
量子阱及量子阱半导体激光器简述 陈卓 （上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系，上海200444） 摘要: 本文接续课堂所讲的半导体激光二极管进行展开。对量子阱结构及其特性以及量子阱激光器的结构特点进行阐释。最后列举了近些年对量子阱激光器的相关研究，包括阱层设计优化、外部环境的影响（粒子辐射）、电子阻挡层的设计、生长工艺优化等。 关键词：量子阱量子尺寸效应量子阱激光器工艺优化
一、引言 半导体激光器自从1962年诞生以来，就以其优越的性能得到了极为广泛的应用[1]，它具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。随着新材料新结构的不断涌现和制造工艺水平的不断提高，其各方面的性能也进一步得到改善，应用范围也不在再局限于信息传输和信息存储，而是逐渐渗透到材料加工、精密测量、军事、医学和生物等领域，正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的市场。 20世纪70年代的双异质结激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出现的应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。[2]制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术，如分子外延术（MBE）、金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）、化学束外延（CBE）和原子束外延等。[3]我国早在1974年就开始设计和制造分子束外延（MBE）设备，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半导体所（ISCAS）使用国产的MBE设备制成的GRIN-SCH InGaAs/GaAs应变多量子阱激光器室温下阈值电流为1.55mA，连续输出功率大于30mW，输出波长为1026nm。[4] 量子阱特别是应变量子阱材料的引入减少了载流子的一个自由度，改变了K 空间的能带结构，极大的提高了半导体激光器的性能，使垂直腔表面发射激光器成为现实，使近几年取得突破的GaN蓝绿光激光器成为新的研究热点和新的经济增长点，并将使半导体激光器成为光子集成（PIC）和光电子集成（OEIC）的核心器件。 减少载流子一个自由度的量子阱已经使半导体激光器受益匪浅，再减少一个自由度的所谓量子线（QL）以及在三维都使电子受限的所谓量子点（QD）将会使半导体激光器的性能发生更大的改善，这已经受到了许多科学家的关注，成为半导体材料的前沿课题。 二、量子阱的结构与特性 1、态密度、量子尺寸效应与能带 量子阱由交替生长两种半导体材料薄层组成的半导体超晶格产生。超晶格结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。当超薄有源层材料后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。1970年首次在GaAs半导体上制成了超晶格结构。江崎(Esaki)等人把超晶格分为两类：成分超晶格和掺杂超晶格。理想超晶格的空间结构及两种材料的能带分布分别如图１和图２。