量子点激光器
量子阱、量子线及量子点
量子阱、量子线及量子点
量子阱、量子线和量子点都是量子力学中的概念，用于描述材料中的电子结构和能级分布。
1.量子阱：量子阱是一种由两个能带较宽的材料夹着一个能带较窄的材料组成的结构。由于能带的差异，其中的电子和空穴被约束在能带较窄的材料区域内，形成分立的能级。这种空间约束导致材料在电子、光学和能量传输等方面显示出特殊的量子效应。量子阱常用于制造半导体激光器、光电器件和量子化合物等。
2. 量子线：量子线是一种在空间上被限制在一维结构的材料。它的特点是在两个维度上非常细小，而在第三个维度上尺寸相对较大。由于其细长的形状，量子线中的电子在这个方向上的运动受到限制，只能在限定的一维空间中移动。这样的限制造成了电子能级的离散和束缚态的形成。量子线可以用于纳米电子学、光电子学和量子计算等领域。
3. 量子点：量子点是一种在三个维度上被限制在纳米尺度的物质颗粒。它们的尺寸通常在几纳米到几十纳米之间，比较接近原子尺度。由于其尺寸小于传统半导体材料的布拉维长度，量子点的电子和空穴在三个维度上受到限制，导致量子力学效应变得显著。量子点能级的离散性使其在光学、电子学和生物医学等领域有广泛的应用，如量子点显示器、太阳能电池和生物标记等。
量子阱、量子线和量子点都是基于材料结构限制下的量子效应，通过限制和调节材料中的电子能级和能量分布，展示出许多独特的性质和应用潜力。
Quantum_Dot
Also known As
人造原子
超晶格 超原子 量子点原子
引用 百度百科
研究历史
追溯到上世纪70年代中期，为了解决 全球能源危机而发展起来的。 由贝尔实验室的Louis E.Brus博士 和前苏联Yoffe研究所的Alexei Ekimov博士最先发现。
引用 百度百科
主要性质
荧光wenku.baidu.com命长。
生物相容性好。
具有很好的光稳定性。 具有宽的激发谱和窄的发射谱。 发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来 控制。
引用 百度百科
应用前景
量子点激光器
半导体激光是量子点光电子器件的最主要应用。
从82年日本科学家首次提出点激光器概念以来 取得了迅速发展。量子点激光器与其它激光器 在基本结构上，除使用单层或多层量子点作为 有源区，其它并无区别。
From http://www.okokok.com.cn
QD in China
·起步虽晚但发展迅速
量子点中国专利技术发展图
From http://www.istis.sh.cn
·技术侧重点在材料方面
与世界专利相比，最注重的都是量子点在半导 体器件中的应用，但其比重不如世界专利。除 此以外，最受关注的是量子点材料及其测试。 说明我国量子点技术发展与国外有所区别，对 材料方面关注度更高。
共轭量子点及其应用
共轭量子点及其应用
随着人们对纳米材料的研究深入，共轭量子点作为一种新型纳米材料，引起了广泛的关注和研究。共轭量子点是一类直径在几纳米左右的半导体纳米晶体，在某些条件下会显示出独特的光学和电学性质。
1. 共轭量子点的基本特性
共轭量子点具有很高的表面积和较小的晶粒尺寸，这种结构使得电荷和能量在量子点间非常容易传输，导致了材料的光学和电学特性的变化。此外，共轭量子点具有窄的光谱峰和相对宽的激发光谱，对于光电器件来说非常有用。
共轭量子点的特性取决于其大小、形状、表面修饰和夹杂等因素。比如，共轭量子点的大小会影响其光谱性质。此外，对于表面修饰，共轭量子点的表面可以通过修饰分子进行PbS或PbSe的有效表面修饰，这可以提高量子点的稳定性和还原性能。
2. 共轭量子点在光电器件中的应用
共轭量子点具有很好的光电特性，因此在光电器件中得到广泛
应用。例如，量子点太阳能电池、LED、激光器和光电检测器等。
（1）太阳能电池
由于共轭量子点的特殊能带结构和垂直电子传输能力，使其成
为一种优良的光伏材料。共轭量子点太阳能电池中，在PbS或PbSe量子点薄膜中吸收光子，导致束缚的电子跃迁到导带，形成
空穴。空穴和电子在电场的作用下在传输到电极，在电池电路上
产生电流，从而进行能量转换。其效率高、尺寸小且可以可控制
生长在不同的衬底上，是太阳能电池领域的热点之一。
（2） LED
共轭量子点LED是一种基于半导体纳米量子点的新型客户端
照明技术。在共轭量子点LED中，电子从PnP和nPn量子点中跃
迁发出光子的能量，使电子下降的Joule热更小，因此效率更高，
新激光第六章激光器模式选择技术PPT课件
激光器中增益介质的空间分布 不均匀，导致不同横模的增益 不同，从而产生横模竞争。
谐振腔的几何形状
谐振腔的几何形状对横模的选 择也有重要影响，不同形状的 谐振腔对横模的支持和抑制程 度不同。
横模对激光输出的影响
不同横模具有不同的空间分布 和相位关系，对激光输出的光 束质量、发散角、光斑形状等 产生重要影响。
典型横模选择器件
01
02
03
孔径光阑
一种具有特定孔径大小的 光学元件，用于限制激光 束的空间分布，实现横模 选择。
微扰元件
如微弯反射镜、折射率微 扰片等，用于引入微小的 扰动，实现不同横模之间 的耦合和选择。
相位共轭镜
利用非线性光学效应实现 相位共轭的反射镜，可将 高阶横模转化为基模振荡， 实现横模选择。
表面等离激元模式选择
利用金属-介质界面上的表面等离激元效应，实现微纳激光器中的 模式选择和调控。
光子晶体模式选择
通过设计光子晶体的结构和参数，控制光子带隙和缺陷模式，实现 微纳激光器的模式选择和优化。
微腔模式选择
利用微腔的谐振效应和品质因数，实现微纳激光器中的单模或多模 输出。
量子点、量子线等新型结构中的模式选择
模式匹配实现
实现模式匹配需要对激光器的结构参数进行调整，如改变反射镜的曲率半径、调整激光介 质的折射率分布等。同时，还需要对激光器的工作条件进行优化，如控制泵浦源的功率、 调整冷却水的温度等。
量子点技术的发展与应用
量子点技术的发展与应用
近年来，量子点技术一直是科技领域中备受瞩目的焦点之一。
量子点技术的发展不仅促进了电子设备、生物分析、光学显示等
领域的应用，更为信息科学进入了一个崭新的时代。本文将对量
子点技术的发展和应用进行探讨。
一、量子点技术的发展
1. 量子点技术的概念和分类
量子点技术属于纳米技术的一种，通常指的是直径小于10nm、由几十至数百个原子组成的微观球状或棒状结构。这些结构从量
子力学的角度看，可以看做是一种三维限制的电子气体。根据不
同的制备工艺和性质，量子点可以分为半导体量子点、金属量子
点和生物量子点等。
2. 量子点技术的研究进展
量子点技术的研究始于20世纪80年代。随着科学家们对量子
点技术的深入研究，逐渐发现了很多引人注目的特性，包括高稳
定性、可调谐性、发光效应、电荷移动性等。在量子点领域的研究中，半导体量子点的表现最为优异，其光电特性在近年来得到了广泛的应用和发展。
3. 量子点技术的发展前景
随着科学技术和人们生活水平的增长，对材料要求越来越高。因此，量子点技术也将在不远的将来取得更大的发展。未来，科学家们还将继续探索量子点在磁共振成像、生物荧光成像、光电控制、太阳能电池等方面的应用。
二、量子点技术的应用
1. 电子设备领域的应用
量子点技术在电子设备领域的应用主要是指量子点薄膜技术、量子点激光器和量子点传感器等。其中，量子点薄膜技术可以提高电感和电容的效率，提高电池的容量和性能；量子点激光器则可以扩展激光的波长范围，使其适用于更广泛的领域，如太空通
讯和雷达等。此外，量子点传感器的应用可以提高传感器的灵敏度和分辨率。
量子点名词解释
量子点名词解释
量子点是一种纳米级材料，由几十到几百个原子组成。它具有独特的光学和电学特性，因此在科学研究和技术应用中引起了广泛关注。
量子点的大小通常在1到10纳米之间，这使得它们在形状和大小上
能够精确地控制。通过调整量子点的大小和组成元素，可以调整其发光颜色的范围。这种特性使得量子点在显示技术、荧光标记、生物成像和太阳能电池等领域有着广泛的应用。
在显示技术方面，量子点可用于增强液晶显示器（LCD）的色彩饱和
度和亮度。传统的LCD显示器使用白光源和色彩滤光片来产生彩色图像，这会导致颜色不准确，同时也会浪费大量的能量。而量子点发光材料可以发出纯净的、可调节的颜色，因此可以使显示器的色彩更加真实且能耗更低。
在生物医学领域，量子点在生物成像中发挥着重要的作用。由于其发光颜色可控的特点，可以标记不同的生物分子或细胞，从而实现精确的检测和成像。此外，量子点还具有长时间的稳定性和高量子产率，使其成为一种理想的荧光探针。
在太阳能电池方面，量子点可以作为光敏材料，转换太阳能为电能。量子点可吸收太阳光中的多个频段，从紫外线到可见光，这使得太阳
能电池的能量转换效率得到了提高。此外，量子点还具有对抗电荷输运的能力，减少了电荷的损失，提高了电池的效率。
综上所述，量子点作为一种新型材料，在科学研究和技术应用中具有广泛的潜力。通过精确控制其大小和组成，可以调节其光学和电学性质，从而在显示技术、生物医学和能源领域等方面发挥重要作用。
量子点激光器
由图左可见，当掺杂粒子浓度达到Ｎｓ＝3×1022m-3左右时，输出功率趋于 饱和，因此，掺杂浓度可以采用低于Ns的区域。由右图可见，最佳光纤长度 随掺杂浓度的升高而减小，在饱和区，两者呈现反比关系，即NL∝Cs，其中 Cs为饱和常量。由于掺杂浓度在光纤较短区变化比较灵敏，因此可根据实际 需要，利用Ｎ与Ｌ的反比关系同时选取合适的掺杂浓度和光纤长度来得到最 大的激光功率。
6、吸收/辐射截面计算
可由经验公式估算量子点的核直径Ｄ和第一吸收峰处的摩尔消光系数ε为 ：
第一吸收峰波长处的截面：
根据吸收截面的，用McCumber公式可以算出发射截面：
因此可以得到速率方程所需的４个截面σａ，Ｐ、σｅ，Ｐ、σａ，Ｌ、σｅ，Ｌ
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五、量子点光纤激光器的优化
1、激光输出功率计算
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5、速率方程的建立
速率方程在二能级系统中，稳态时的粒子数方程和光功率传播方程为：
式中Ｎ２为上能级粒子数密度，Ｎ为总粒子数密度，Ｐ（ｚ）为位置ｚ处 的功率，α为光纤背景损耗系数，下角标Ｐ、Ｌ和０分别表示抽运光、激 光和自发辐射，上角标±表示沿光纤ｚ正（＋）反（－）方向传播，
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结论
对于ＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子点掺杂的光纤激光器（ＱＤＦＬ）。通过数值求解Ｑ
光纤通讯常用光源
光纤通讯常用光源
在光纤通讯中，常用的光源有以下几种：
1. 发光二极管（LED）：LED 是一种低成本、低功耗的光源，常用于短距离、低速率的光纤通信系统中。它们能够产生可见光或近红外光，具有较宽的光谱带宽和较低的输出功率。
2. 激光二极管（Laser Diode）：激光二极管是一种高功率、单色性好的光源，常用于高速、长距离的光纤通信系统中。它们能够产生非常窄的光谱带宽和高方向性的光束，具有较高的光功率和较低的噪声。
3. 垂直腔面发射激光器（VCSEL）：VCSEL 是一种新型的激光二极管，具有低成本、低功耗、易于集成等优点。它们能够在芯片上集成多个光源，适用于高速光通信和光互连应用。
4. 量子点激光器（QD Laser）：量子点激光器是一种新型的半导体激光器，具有较高的光功率和较窄的光谱带宽。它们能够在较低的阈值电流下工作，具有较高的效率和较长的寿命。
5. 掺铒光纤激光器（EDFA）：掺铒光纤激光器是一种高功率的光源，常用于光放大器和光纤激光系统中。它们利用掺铒光纤作为增益介质，能够产生高功率的激光输出。
这些光源在光纤通信中都有广泛的应用，根据不同的需求和应用场景，可以选择合适的光源来实现高速、可靠的光纤通信。
量子点激光器
量子点激光器
量子点是由少量原子所构成的体积很小的固体材料，量子点的尺寸一般在100纳米以下，外观恰似一极小的点状物，其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”。
在一般块材料中，电子的波长远小于块材料尺寸，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；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；当三个维度的尺寸都缩小到一个波长以下时，就成为量子点。
图1一般块材料、量子阱、量子线及量子点能级比较关系示意图
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浦源所构成。一个实际量子点激光器（砷化镓铟量子点激光器）的结构如下图所示。
图2量子点激光器示意图
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附近单位能量间隔内的电子态数。每一个量子态可被自旋向上和向下的两个电子所占据。半导体激光器从三维到二维、再到一维、零维,这种不断发展变化的内因在于不同维度材料的态密度不同,从而激光器的性能不断改善。对于零维的量子点而言，体系在x、y、z三个方向受限，载流子的能量在三个方向上都是量子化的，不存在能量的连续分布。所以，量子点的态密度与能量的关系表示为δ函数的形式，即
基于量子点的新型光电器件的设计制备
基于量子点的新型光电器件的设计制备
随着信息时代的不断发展，电子、光电子等高科技产业的快速发展，对于新型
电子器件的需求也与日俱增。其中基于量子点的光电器件，由于其具有高速度、高效率、低功耗的特点，成为当前最热门的研究领域之一。在这个领域中，设计制备基于量子点的新型光电器件可以更好地满足现代社会对电子设备的需求。
一、量子点理解
量子点是一种新兴的纳米材料，是有机、无机和半导体材料的一种。量子点具
有很小的体积，通常只有数十纳米大小，但其表面积却可以达到一平方厘米，因此可以用来制造新型的电子材料和器件。
量子点的独特性质在于其电子能量的离散化，也就是说当量子点的大小减小时，能量级之间的距离变大，这种电子力学性质使得量子点拥有非常优异的电子特性。另外，具有机械稳定性、热稳定性和光稳定性这些优势也使得量子点在制造合成材料和电子器件方面具有广阔的应用前景。
二、基于量子点的光电器件的设计和制备
基于量子点的光电器件可以是半导体、有机材料或纳米结构材料，它们可以是
光电探测器，在光电转换器件、发送器和接收器中也有应用。因此，基于量子点的光电器件具有极高的科学研究价值和工业应用价值。
在设计制备基于量子点的光电器件时，需要考虑以下几个方面。
1. 材料选择
量子点光电器件的制备需要使用选定的材料，这些材料需要满足光学、电学等
要求，量子点的制备依靠半导体材料、金属材料和有机材料等，选择合适的材料是制备是否成功的重要因素。
2. 制备工艺
制备工艺是控制和调节材料在各个环节中变化的重要过程，一般的制备工艺包
括物理气相沉积法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、电泳沉积法、溶液化学法和
量子点的五个应用领域
量子点的五个应用领域
量子点的五个应用领域包括：
1. 显示技术：量子点可以用于提高显示屏的色域和色彩饱和度，使得图像更加真实和细腻。量子点显示技术已经广泛应用于电视、手机和电脑显示屏等电子产品中。
2. 光电子器件：量子点具有可调谐的光学性质，可以被用来制造光电子器件，如太阳能电池、光电传感器和激光器。量子点光电子器件可以在能源转换和通信等领域发挥重要作用。
3. 生物医学：量子点在生物医学领域有广泛的应用，可以用作生物成像探针，实现高分辨率和高灵敏度的细胞和组织成像。此外，量子点还可以用于药物输送和癌症治疗等领域。
4. 安全技术：量子点的发光特性可以被用于制造高安全性的防伪标记和密码技术。量子点的独特发光颜色和光学特性可以实现防伪标记的定制化和难以仿制。
5. 量子计算：量子点可以用作量子比特的载体，实现量子计算的功能。量子计算是一种利用量子力学特性进行计算的新型计算方式，具有更强大的计算能力和解决复杂问题的能力。量子点的应用在量子计算领域有很大的潜力。
量子阱的原理
量子阱的原理
量子阱是一种能够限制电子或其他粒子在空间中运动的结构。它由两个高能势垒夹着一个低能势垒组成，形成一个类似于谷底的区域，使得粒子只能在这个区域内运动。
量子阱的核心原理是量子力学中的波粒二象性。根据波粒二象性理论，粒子既可以存在粒子的特征，也可以表现出波动的特征。比如，电子既可以看作是一个具有质量和电荷的粒子，也可以看作是一个波动的电磁波。
当粒子在量子阱中运动时，其波函数会发生量子叠加的现象。波函数描述了粒子的状态和运动规律，而量子叠加则是多个波函数相互叠加形成的新的波函数。
在量子阱中，粒子的波函数受到周围的势能垒的限制，只能在势能垒之间运动。由于势能垒的存在，粒子的动能和位能会发生相互转换的过程。当粒子在高能势垒处运动时，其动能较大，位能较低；而在低能势垒处运动时，动能较小，位能较高。
由于动能和位能的关系满足薛定谔方程，因此在量子阱中，粒子的运动被描述为薛定谔方程的解。薛定谔方程是一种描述量子力学系统的方程，它描述了粒子的波函数随时间和空间的变化规律。
量子阱可以用于制备一些重要的量子器件和量子效应。由于量子阱能够限制粒子
在空间中的运动，因此可以在其内部形成一些特殊的能级结构。这些能级结构对于电子的能量分布和能级间距具有重要的影响，并且可以通过改变势垒的高度和宽度来调控。
通过调控量子阱的结构参数，可以制备各种量子器件。比如，通过制备不同高度的势垒，可以实现电子在不同能级中的跃迁，从而制备出量子点激光器；通过制备不同宽度的势垒，可以实现电子的输运过程，从而制备出量子阱调制器等。
激光器 量子亏损
激光器量子亏损
在激光物理学中，“量子亏损”（Quantum Deficit）这一术语并不常见，但与激光器工作原理相关的概念中，有一个与之类似的概念是“量子限制效应”或“量子效率”。在某些上下文中，如果提到“亏损”，可能是指激光工作过程中未能有效转换为光子输出的那部分能量，这部分能量通常以热量等形式损失掉。
在半导体激光器如量子点激光器（Quantum Dot Laser）和量子级联激光器（Quantum Cascade Laser, QCL）中，电子在不同的能级之间跃迁产生光子，理想情况下，每一步跃迁都应该是一个完整的光子发射过程。然而，在实际操作中，由于非辐射复合、载流子泄漏以及其他非理想的物理过程，电子跃迁产生的光子可能无法全部从激光器中输出，从而造成了一种“量子亏损”。
例如，在量子点激光器中，空间位移损伤或电离辐射损伤可能会降低量子点的有效性和稳定性，导致量子效率下降，即出现某种程度上的“亏损”。而在量子级联激光器的研究中，科学家们致力于提高器件的效率，减少阈值电流和功耗，这意味着减少那些不贡献于光子发射而损失的能量，从而改善了所谓的“量子效率”或避免了不必要的“量子亏损”。
总之，“量子亏损”虽然不是一个标准的科学用语，但它可以被理解为描述激光器内部能量转换过程中的不完全性或损耗现象。
激光器技术的应用现状和发展趋势
激光器技术的应用现状和发展趋势
一、应用现状
激光器技术自20世纪60年代发明以来，已经广泛应用于各个领域，对人类社会产生了深远的影响。以下是激光器技术在当前的主要应用领域：
1. 工业制造：激光器技术在工业制造领域的应用广泛，包括切割、焊接、打标、表面处理等。激光器的高精度、高速度和高能量特性使得它在制造业中具有不可替代的地位。
2. 通信与信息传输：激光器技术是现代通信的基础，如光纤通信。激光器的单色性好、相干性强，使得信息传输的带宽大、速度快、损耗低，是现代通信技术的核心组成部分。
3. 医疗卫生：激光器技术在医学领域的应用包括眼科、皮肤科、牙科等。激光器的非接触、非侵入性使得其在治疗和诊断中具有许多优点。
4. 科学研究：激光器技术是许多科学研究的必备工具，如光谱分析、物理实验、生物研究等。激光器的可调谐性和高能量特性使得它在科学研究中具有重要作用。
5. 军事与安全：激光器技术在军事和安全领域的应用包括激光雷达、目标指示、光电对抗等。激光器的定向性好、能量集中，使得它在军事和安全领域具有重要应用价值。
二、发展趋势
随着科技的进步和应用需求的不断增长，激光器技术的发展趋势如下：
1. 高功率激光器：高功率激光器在工业制造、科学研究等领域有广泛应用。随着技术的进步，高功率激光器的输出功率不断提高，性能更加稳定可靠。
2. 新型激光器：随着光电子技术和材料科学的不断发展，新型激光器不断涌现，如量子点激光器、光纤激光器、表面等离子体共振激光器等。这些新型激光器具有独特的性能和应用前景。
3. 微型化与集成化：随着微纳加工技术的发展，微型化和集成化的激光器成为研究热点。微型化与集成化的激光器具有体积小、重量轻、易于集成等优点，在光通信、光传感等领域有广泛应用。
白光量子点和蓝光量子点
白光量子点和蓝光量子点
English answer:
White Light Quantum Dots and Blue Light Quantum Dots.
Quantum dots are semiconductor nanocrystals that have unique optical properties. They are made of a core of a semiconductor material, such as cadmium selenide (CdSe), surrounded by a shell of a different semiconductor material, such as zinc sulfide (ZnS). The size of the core and the shell can be controlled to tune the optical properties of the quantum dot.
White light quantum dots are quantum dots that emit white light. They are typically made of a core of CdSe and
a shell of ZnS. The size of the core and the shell can be controlled to tune the color of the white light. White
量子点量子阱材料在光电器件中的应用
量子点量子阱材料在光电器件中的应用
随着人们对科技的不断追求和应用的不断深入，光电器件已经
成为了生活中不可或缺的一部分。而在光电器件的制造中，材料
扮演了极为重要的角色。近年来，量子点量子阱材料（quantum dots and quantum wells）由于其独特的光电性能，越来越多地应用
于光电器件中。
量子点和量子阱被视为是半导体量子化新技术的产物，它不仅
能够改善半导体材料的性能，而且可以用于高效、先进的半导体
电子器件的制造。它们的应用范围从普通的发光二极管（LED）
到更高级的太阳能电池和激光器，皆展现出了良好的应用前景。
量子点量子阱材料具备特殊的能量级结构，其能量不连续，且
常常以点状和层状构成。这种结构使得它们可以具备独特的性质，比如比普通半导体具有更窄的能带和更大的波长范围等等。并且，因为其能量级是离散的，而不是连续的，量子点和量子阱在束缚
粒子的限制下，其能级间距离发生显著的窄化，这就决定了它们
是制造高效光电器件的理想材料。
比如说，利用量子点材料可以制造出能够发出深红光的LED，
而这种颜色的LED早期无法制造，是因为没有材料能够满足它发
光的要求。而随着量子点的出现，制造深红光的LED不再是问题。此外，利用量子阱结构也能够制造出稳定的发光器件。
除了发光器件，量子点和量子阱材料还可以用于制造太阳能电池，并且可以大幅提高太阳能电池的转换效率。目前，世界各地
的科技研究中心都在致力于研究并开发更加稳定、高效的量子点
太阳能电池。因为其能级更集中，能捕获更多的光子，从而提高
电流输出。
此外，量子阱还可以被用于制造激光器。这是由于量子点的能
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对于零维的量子点而言，体系在x、y、z三个方向受限， 载流子的能量在三个方向上都是量子化的，不存在能量的 连续分布。所以，量子点的态密度与能量的关系表示为δ 函数的形式，即
ρ3D(E) = ∑ δ ( E - E )
i
i
其中Ei是体系的能量可取值，可表示为
量子点的wk.baidu.com态图形为类氢光谱状的分离线， 如图(d)所示。
4.分闸法(splitgate approach)： 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(single electron transistor, SET)、记忆储存、触 媒以及量子计算(quantum computing)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。
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 (lithography and etching)： 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<br> 之SEM影像，水 平线条约0.5微米
声子散射要求能量 守恒和动量守恒。 对于量子阱来说,由 于子能带的存在,这 两个条件很容易同 时满足。但对于量 子点而言,由于电子 能级都是分离的,很 难使两个能级能量 差恰好等于一个光 学声子的能量。因 此,认为量子点缺乏 一种有效的载流子 弛豫途径,称之为声 子瓶颈效应。
• 事实上,后来的实验证明,这个问题并不象 原来想象的那么严重。在量子点中存在一 个很快的捕获和弛豫机制。现在已经提出 一种弛豫机制:俄歇过程。理论计算表明, 如果二维电子- 空穴等离子体的密度为 1010每平方厘米 ,则电子和空穴的弛豫时 间将达10ps ,而这一密度对量子点来说容 易达到,但这一弛豫机制还需要实验证明。 • 从制造工艺上,量子点的尺寸大小均匀性 不好控制,也使它的发展受到了阻碍。
• 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（tunneling effect）而逃 离，我们称之为开放式量子 点（open quantum dot）， 如图所示，其类似一开放共 振腔（open cavity），此时 电子能阶不再是稳态 (stationary state)而是一种 准稳态（quasi-stationary state）；电子停留在准稳态 约一个生命周期（life time） 后就会逃离量子点。
3. 对于理想的量子点激光器量子点，它应只有单
一电子能级和空穴能级，很容易实现单模工作。 1996年Kirstaedter 等在77K 低温下稍高于阈值 电流密度情况下就观察到了单模工作。而相比之 下，量子阱激光器只有远高于阈值电流密度的情 况下才能实现单模工作。
•量子点激光的瓶颈问题
从量子点本身的性 质出发,存在声子瓶 颈效应。当电子被 注入到势垒区的高 能级上时,它必须依 靠与声子的散射作 用(放出声子) ,才 能弛豫到量子阱或 量子点中的低能级 上。
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。
1.化学溶胶法
(chemical colloidal method)： 可制作复层 (multilayered)量子 点，过程简单，且可 大量生产。
2.自组成法(selfassembly method) 采用分子束磊晶 (molecular-beam epitaxy)或化学气 相沉积(chemical vapor deposition) 制程，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。
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附近单位能量间隔内的电子态数。每一 个量子态可被自旋向上和向下的两个电子所占 据。半导体激光器从三维到二维、再到一维、 零维,这种不断发展变化的内因在于不同维度材 料的态密度不同,从而激光器的性能不断改善。
若要严格定义量子点，则必须由量子力学(quantum mechanics)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(Fermi wavelength)
• 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(quantum well)； • 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(quantum wire)； • 当三个维度的尺寸都缩小到一个波长以下时，就成为量子点 了（quantum dot）。
所以一个E的分裂值对应一个由各种不同Exy造成的子能 带，该子能带对应的态密度为
即电子在xy平面运动所对应的子能带能量密度是一个常数。 为了简便，取A=1。于是三维能量的态密度为
能态图是阶梯型，如图(b)所示
对于量子线而言，体系在两个方向（如z、y方向）受 限，它的能量和态密度之间的关系可以利用同样的方 法求得，结果是
(1) 对于三维体系,在固体物理中,已求得其态 密度与能量的关系是抛物线形,如图(a) 所示。
(2)当体系为在某个方向(如z向)受限的二维体系(量子阱) 时，受限方向(z向)的平移对称性被破坏，kz不再是好量 子数，该方向发生能级分裂。一个本征态的能量可以写 为E=Ei + Exy（kx，ky），其中Ei是z方向的量子化的能级 值。 在量子阱中，电子能量
一个实际的量子点激光器的能带结构和生长结构示意图
量子点激光器能带结构和生长结构示意图 1、9为上下欧姆电极接触层；2、8为超晶格缓冲层；3、 7为上下包层；4、6为上下折射率梯度改变分别限制区； 5为量子点有源区。
• 量子点激光器的优点
1. 实际制作的量子点激光器的阈值电流密度己 经远远低于传统激光器以及量子阱激光器。 1996年N. N. Ledelltsov采用10层 In0.5Ga0.5As/ A10.15Ga0.85As量子点超晶格结 构为量子点激光器的有源区，使室温下的阈 值电流密度降到90A /cm2。1999年G. T. Liu 等研制成功了室温下阈值电流密度26A/cm2 的InAS/In0.15Ga0.85As量子点激光器。
2. 1997年，Maximov等将量子点置入 GaAs/AlGaAs量子阱中，使量子点中载流子的 逸出势垒高度增加，大大降低了载流子的逸 出几率，减小了漏电流，使激光器的特征温 度T0在工作温度80K-330K之间高达385K，远远 高于量子阱激光器的特征温度，但提高T0的同 时却带来了阈值电流密度的大幅提升。1999 年Shernyakov报道了世界上第一只在室温 （低于40℃）下同时具有高特征温度T0 (160K） 和低阈值电流密度Jth=65A/cm2 ，三层量子点 阵列的GaAs基量子点激光器，工作波长为 1.3μ m。而目前工作在同波段的InP基量子阱 激光器，最高的特征温度T0为60-70K ，最低 的阈值电流密度Jth为300-400A/cm2。
量子点(Quantum Dots) 和 量子点激光器
• 量子点(quantum dot)是准零维(quasi-zerodimensional)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(quantum confinement effect)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”(artificial atom)。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(vicinal surface) 超台阶面( super steps) 、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
量子点激光器的未来 量子点激光器的研制在近几年内取得了长足进步， 已经向传统半导体激光器开始了强有力的挑战， 但其性能与理论预测相比仍有较大的差距。进一 步提高量子点激光器的性能，必须解决以下几个 问题：
(l) 如何生长尺寸均匀的量子点阵列。虽然量子点 的材料增益很大，但由于尺寸分布的不均匀性，使 量子点发光峰非均匀展宽，发光峰半宽比较宽，远 大于量子阱材料（meV）。实际上只有很少一部 分量子点对激光器的发光有贡献，限制了光增益， 影响了激光器激射阈值的进一步降低； (2) 如何增加量子点的面密度和体密度，尽可能提 高量子点材料的增益； (3) 如何优化量子点激光器的结构设计，使其有利 于量子点对载流子的俘获和束缚； (4) 如何通过控制量子点的尺寸或者选择新的材料 体系，拓宽量子点激光器的激射波长工作范围，争 取覆盖WDM网络中的1.4-1.6μm波段。