第六章 半导体量子点
量子点 原理
量子点原理
量子点是一种纳米级别的半导体材料，其直径通常在1到10
纳米之间。
它具有特殊的电子结构和量子效应，在光学、电子学和生物医学等领域具有广泛的应用前景。
量子点的制备原理基于量子尺寸效应。
当材料尺寸减小到与电子波长相当的量级时，电子的运动将受到限制，其能量级别将不同于宏观尺寸的材料。
这种效应使得量子点的能带结构具有离散的能级，类似于原子或分子的能级结构。
量子点的制备通常分为自组装和合成两种方法。
自组装方法是通过控制材料的生长条件，使其自发地形成纳米级的结构。
合成方法则是通过化学反应，将原子和分子以原子尺寸的精度组装成量子点。
量子点的特性取决于其尺寸和材料的种类。
尺寸的减小使得量子点的能带结构更离散，能量级别更集中，从而导致了光学和电子性质的变化。
同时，量子点内部的束缚电子也会对其表面态有影响，使得量子点的化学性质发生变化。
量子点的独特性质使得其在多个领域有着广泛的应用。
在光学领域，量子点可以用作高效的光电转换器件，用于太阳能电池、LED等。
在电子学领域，量子点可以作为高速、低能耗的电
子器件的核心部件。
在生物医学领域，量子点具有较好的生物相容性和荧光性能，可以用于细胞成像、药物传递等应用。
总的来说，量子点是一种具有特殊电子结构和量子效应的半导
体材料，其制备原理基于量子尺寸效应。
量子点具有丰富的光学、电子和生物医学应用前景，是纳米技术领域的研究热点之一。
量子点的制备及特性分析
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。
纳米技术_哈尔滨工业大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
纳米技术_哈尔滨工业大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.由久保理论，从超微颗粒中取出或放入一个电子所做的功与其热涨落能之间的关系为：W kBT（从下面选出正确答案）答案:>>2.在STM中，当针尖顶端完好，且曲率远远小于样品表面所测部分的曲率半径时，得到的形貌图为。
答案:样品表面形貌图像3.石墨烯是___键形成的单层二维晶体。
答案:sp2杂化C-C4.纳米电子器件是电子器件。
答案:第三代5.采取下面哪种方法能增大量子阱材料势阱中两相邻能级的间隔：答案:减薄禁带窄材料的厚度6.关于GMR磁头下列那种说法不正确：答案:自由层磁矩不受外磁场控制7.半导体量子点的能带与其大体积材料有所不同，下列哪种说法正确：答案:价带分立禁带宽度变宽导带分立8.关于ALD下面那种说法正确：答案:生成膜的厚度可以精确控制到原子尺度可用于制备多组分纳米膜9.关于光刻和压印两种图形复制技术下列哪种说法正确：答案:两者都可用于制备纳米图形有些纳米压印法可采用柔性材料来制备模板纳米压印技术可以在圆柱形衬底上制备图形10.关于弹道导体下面那种说法正确：答案:导体实际测电阻来自不同材料界面导体尺度小于载流子输运的平均自由程11.对比GaN/InGaN/GaN结构的LED和激光器，下列哪种说法正确：答案:二者都可采用MOCVD工艺来制备量子阱结构激光器的发射功率较高12.关于GMR效应下列那种说法正确：答案:两铁磁层磁矩反平行时电阻最大它产生于铁磁/非铁磁/铁磁交替叠合而成的纳米多层膜结构13.AFM属于探针类电子显微镜。
答案:正确14.透射电子显微镜以二次信号为主要成像信号答案:错误15.超微颗粒表面能高的原因是各颗粒的内部原子有大量剩余不饱和化学键的缘故。
答案:错误16.光刻工艺流程为：底膜处理→前烘→涂胶→曝光→显影→坚膜→刻蚀→去胶答案:错误17.在三种干法刻蚀中各向异性效果优劣排序：离子铣>RIE>等离子体刻蚀。
量子点的制备及特性分析
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。
量子点发光原理详解
量子点发光原理详解
量子点是一种纳米级别的半导体材料，因其尺寸很小，可以展现出独特的物理和化学特性。
其中最主要的特性之一就是量子点发光。
量子点发光原理涉及到半导体物理中的两个基本原理：激子和能带。
激子是由一个电子与一个空穴结合形成的一种复合粒子。
当半导体物质受到外部能量激发时，电子从价带跃迁到导带，留下了一个空穴在价带中。
这将导致电子和空穴在晶体中重组，产生激子。
而激子陷阱是半导体导带和价带的中间能级，这是半导体材料的一种性质。
在半导体中，电子可以从价带跃迁到导带，同时释放出能量。
当电子从导带跃迁回该半导体的价带时，会释放出能量并发射出光子。
这就是半导体内在的发光机制。
然而，量子点与其他半导体不同，量子点粒子大小与电子波长处于相同大小的尺度上，因此其能级结构变得连续，从而表现出了独特的物理和光学特性。
当外部能量激发它们时，它们可以产生不同波长的发光。
通过调整粒子大小及其所在的半导体类型，可以精确地控制发光的波长。
总之，量子点发光原理是基于半导体物理中的能带理论和激子陷阱理论。
它们是目前最热门的纳米发光材料之一，已经在许多领域应用，如生物成像，LED显示，太阳能电池等。
量子点通俗易懂的介绍
量子点通俗易懂的介绍量子点是一种非常小的半导体材料，通常只有几纳米的尺寸。
尽管它们很小，但量子点却具有许多令人惊讶的特性，使其在科学研究和技术应用中发挥着重要作用。
让我们来了解一下量子点是如何形成的。
量子点通常由半导体材料制成，例如硒化镉、硒化锌等。
这些材料具有特殊的电子结构，当它们被加工成非常小的颗粒时，就形成了量子点。
这些颗粒的尺寸非常小，以至于它们的电子行为受到量子力学效应的影响，因此得名量子点。
量子点的最显著特性之一是能级的离散化。
在普通的材料中，电子能级是连续的，可以认为是无限大的能带。
但在量子点中，由于尺寸的限制，电子只能占据特定的能级。
这些能级之间的能量差距是量子点的尺寸所决定的，因此不同尺寸的量子点具有不同的能级结构。
这种能级的离散化使得量子点具有许多奇特的光学和电学性质。
例如，当量子点受到光照射时，它们可以吸收光子的能量并将其转化为电子的能量。
这种能量转换过程非常高效，使得量子点在太阳能电池和光电器件中具有巨大的潜力。
量子点还具有发光的能力。
当电子从较高能级跃迁到较低能级时，会释放出能量，产生特定波长的光。
由于量子点的尺寸可以调控，因此可以通过调整量子点的尺寸来精确控制其发光波长。
这使得量子点在显示技术中得到广泛应用，例如显示屏和荧光标记。
除了光学性质，量子点还具有优异的电学性质。
由于量子点中电子能级的离散化，电子在量子点中的运动受到限制，因此具有较高的载流子迁移率。
这使得量子点在电子器件中具有较高的性能，例如高效率的晶体管和传感器。
另一个令人兴奋的应用是量子点的量子纠缠性质。
量子纠缠是量子力学中的一种奇特现象，两个或多个粒子之间的状态是相关的，无论它们之间有多远的距离。
量子点的小尺寸使得它们之间的相互作用非常强大，可以产生纠缠态。
这种量子纠缠性质在量子计算和量子通信中具有重要作用，有助于实现更安全和更高效的信息处理。
量子点作为一种特殊的半导体材料，具有许多令人惊奇的特性和应用潜力。
半导体量子点
光器出现不久的１９６２年，就出现了Ｐ－Ｎ结半导体激光器。
但是这种激光器的阈值电流很大（＞５０，０００ Ａ／ｃｍ２），因此而无法在室温下连续工作，只能是实验室观察研究的对象。
十几年之后，异质结和量子阱成功地应用于半导体激光器，使其阈值电流被降低了两个数量级（＜５００ Ａ／ｃｍ２）。
这一进步使半导体激光器获得实际应用。
现在，半导体激光器是光纤通讯技术的基石。
量子阱的基本结构是一层厚度大约等于电子德布罗意波长（１０－１００纳米）的窄禁带半导体夹在宽禁带半导体中。
量子阱的电子结构是由体材料单一电子能带分裂出的数个子带。
由于这种子能带结构可以通过调节结构和生长参数改变，因此量子阱和超晶格被称为“能带工程”。
由量子阱概念出发，人们自然地提出了量子点的概念。
如果把量子阱中的薄层改变成纳米颗粒，这些颗粒中的电子结构则相应地成为分立的电子能态，就像常压下气体原子中的电子能级。
由于这种电子结构的相似性，半导体量子点被称为“人造原子”。
与量子阱和超晶格的“能带工程”相应，半导体量子点的制备应该被称为“能级工程”。
与量子阱的连续子能带相比，具有分立电子结构的量子点是更为理想的半导体激光器工作介质。
半导体量子点被认为可以应用在许多新型光电子器件中，如单电（光）子器件、微腔光源、激光器等。
这些量子点器件将在信息技术领域发挥巨大的作用。
但是，量子点概念最初是针对半导体激光器提出的，而且现在看来，量子点最有可能首先在半导体激光器方面获得广泛应用。
因此，可以用激光器对工作物质的要求来说明量子点体系应该在结构上所具有的性质。
激光器介质的工作单元应该是相对独立而又性质结构全同的粒子，它们具有同一的电子能量结构，在受激状态下的光发射线宽尽可能窄。
根据这些要求，可以想象出理想量子点半导体量子点吴献 营口职业技术学院 １１５００３１．引言纳米科学是新世纪的科学前沿，它将改变人类的生产和生活方式。
同时，纳米科技在基础科学方面向人们提出许多新的挑战，促进基础科学的发展。
半导体量子点发光知识讲解
半导体量子点发光半导体量子点发光、半导体量子点的定义当半导体的三维尺寸都小于或接近其相应物质体相材料激子的玻尔半径Energy[¥ L1块状（三维〕和二錐、一维、零维纳米结构半导体材料的态密度示意图，二维是连续能级，而零维则变成分立能级.（约5.3nm ）时，称为半导体量子点。
二、半导体量子点的原理在光照下，半导体中的电子吸收一定能量的光子而被激发，处于激发态的电子向较低能级跃迁，以光福射的形式释放出能量。
大多数情况下，半导体的光学跃迁发生在带边，也就是说光学跃迁通常发生在价带顶和导带底附近。
半导体的能带结构可以用图的简化模型来表示。
如图所示，直接带隙是指价带顶的能量位置和导带底的能量位置同处于一个K空间，间接带隙是指价带顶位置与导带底位置的K空间位置不同。
电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这是半导体的发光现象。
診带iE1■对于半导体量子点，电子吸收光子而发生跃迁，电子越过禁带跃迁入空的导带，而在原来的价带中留下一个空穴，形成电子空穴对(即激子)，由于量子点在三维度上对激子施加量子限制，激子只能在三维势垒限定的势盒中运动，这样在量子点中，激子的运动完全量子化了，只能取分立的束缚能态。
激子通过不同的方式复合，从而导致发光现象。
原理示意图，如图所示，激子的复合途径主要有三种形式。
(1) 电子和空穴直接复合，产生激子态发光。
由于量子尺寸效应的作用，所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。
(2) 通过表面缺陷态间接复合发光。
在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键，从而形成了许多表面缺陷态。
当半导体量子点材料受光的激发后，光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态而产生表面态发光。
量子点的表面越完整，表面对载流子的捕获能力就越弱，从而使得表面态的发光就越弱。
(3) 通过杂质能级复合发光。
杂质能级发光是由于表面分子与外界分子发生化学反应生成其它杂质，这些杂质很容易俘获导带中的电子形成杂质能级发光。
量子点的原理
量子点的原理量子点是一种纳米级别的半导体材料，其特殊的量子效应使其在光电子学、生物学和材料科学等领域呈现出了广泛的应用前景。
量子点的原理涉及到固体物理学中的束缚态、能带结构和量子级的效应等方面。
在量子点中，电子被限制在三个空间维度上的束缚态能级中，这种束缚态是由于量子点的尺寸在纳米级别，导致电子具有禁闭性质。
量子点的尺寸通常在2-10纳米之间，相比于传统的晶体材料，量子点尺寸更小，其外部表面的原子数目较少，因此量子点的性质会发生明显的变化。
量子点中的束缚能级可以通过调控量子点尺寸来调节，其能级之间的能量差异决定了量子点材料的光学和电子学性质。
量子点的能量差异具有离散的特点，因为能量是量子化的，只能取离散的数值，这就是量子效应的一种体现。
具体来说，量子点的能带结构是由其禁闭性质决定的。
在传统的晶体材料中，电子以能带的形式分布在连续的能量范围内，但是在量子点中，由于其尺寸的限制，能带结构发生了改变。
量子点的能带在能量空间中出现分立的谱线，谱线之间的能量间隔由量子点的尺寸和材料特性决定。
量子效应在量子点中也发挥了重要作用。
在纳米级别的量子点中，电子的波动性质表现得很明显。
根据薛定谔方程，电子在量子点中的波函数是离散的，并且满足波函数的正交条件。
这意味着只有在满足特定的能量条件下，电子才能在量子点中存在。
量子点的原理还涉及到量子尺子。
量子点的外部表面通常由少数个原子组成，对能量敏感，具有特殊的能级。
在实际应用中，研究者可以通过改变量子点的尺寸和组成来调控其能带结构和能级分布，从而实现对光谱特性的控制。
实际应用中，量子点通过吸收和发射光的特性成为一种重要的材料，在光电子学和显示技术中有着广泛的应用。
例如，量子点可以用于制造高亮度的荧光标记剂，在生物成像和医学领域用于跟踪生物分子的运动。
此外，量子点还可以用于制造高效的太阳能电池、发光二极管和激光器等器件。
总而言之，量子点的原理涉及到束缚态、能带结构、量子效应和量子尺子等多个方面。
半导体量子点分子的电子结构及其动力学性质共3篇
半导体量子点分子的电子结构及其动力学性质共3篇半导体量子点分子的电子结构及其动力学性质1半导体量子点分子的电子结构及其动力学性质随着科技的不断发展，人类对于材料结构与性质的研究也越来越深入。
在材料的基本单位——分子层面上的研究中，半导体量子点分子成为了研究的热点之一。
本文将从半导体量子点分子的电子结构与动力学性质两方面展开阐述。
一、半导体量子点分子的电子结构半导体量子点分子电子结构的研究主要是针对其在外界电场作用下的表现进行的。
在普通半导体中，大量载流子基于狄拉克-费米分布，通过电子能带的输运去产生与传导电流的。
但是，在量子限制的圆形半导体量子点分子中，垂直于含条制样的轴线方向的电子被限制在二维的平面内运动，它们仅仅在数量少的离散能级内运动。
这种离散的能级就是量子点分子的量子态。
对于量子点分子来说，电子输运是通过电子之间的激发与减少。
在外加静电场的作用下，能量障碍被它压缩，一个电子从一个能级转移到另一个尺度更大的能级。
根据规定，能够被半导体吸收的光子必须有令人瞩目的能量。
如果这样，一个电子就可以从平面的“基态”量子输运到一系列更高的离散态中，而其中一个量子态要尤其稀有。
因此，普通的半导体材料只能被高能量的光子激发，而半导体量子点分子，由于其具有尺度的限制，弱化了这一要求。
这给予了其中的载流子以比较独特的输运性质。
二、半导体量子点分子的动力学特性半导体量子点分子的动力学特性主要有三个方面，包括荧光寿命、荧光光谱和荧光强度等。
荧光寿命是指荧光从束缚态复合到基态的时间。
通过观察荧光寿命，可以研究载流子的寿命及其在热平衡下的运动特性。
荧光光谱是指材料吸收激光后发出的光谱，其峰值对应着一个确定的能量值。
通过荧光光谱可以了解半导体量子点分子的电子结构信息，比如它的能级分布和Trap状态等等。
荧光强度是指材料荧光强度的大小，也是指材料荧光的亮度。
荧光量子产量即为荧光强度和吸收率比值，是评价量子点分子的荧光效率的一个评价标准。
量子点及其工作原理
量子点及其工作原理、特点解读量子点是直径2-10nm（纳米，10^-9）的微小半导体粒子。
由于粒径小，这些粒子具有独特的光学和电学特性。
例如，接触光时，量子点晶体可以发出特定频率的光。
量子点的大小和形状可以通过调整反应时间和条件来精确控制，从而使纳米技术在显示器应用中具有可扩展性和实用性。
工作原理。
量子点中发光的过程被称为光致发光（缩写为PL），因为发光由光子激发产生。
在光的影响下，光子被激发，“跳”至更高的能量带。
随后进入弛豫过程，在此期间，光子可以非放射性地（“后退”）弛豫，进入到低能态或者重新复合并再发射。
能带隙—是指价带顶部和导带底部之间的能级差异，其决定了发射光的波长。
特点
在像硅那样的常规半导体（也被称为块材）中，这些能带由大量原子和分子的相邻能级合并而形成。
但由于粒径达到纳米级，原子和分子的数量大大减少，重叠能级的数量减少，导致带宽增加。
由于量子点非常微小，因此与块材相比，它们在价带和导带之间的能隙更高。
因此，量子点的独特特性可以用两个纳米级现象来解释：量子局限效应和这些粒子电子态的离散性（量子化）。
量子局限效应
量子局限效应是指当能带受到电子波范围变化的影响时观察到的粒子原子结构变化。
由于波的范围与粒径相当，因此电子受到波长范围的限制。
因此，量子点的特性依赖于其大小，且它们的激发局限在三个空间维度中。
局限能量是量子点的关键特性，它解释了量子点大小与其发射光频率之间的关系。
量子点相关介绍
量子点相关介绍
量子点是一种重要的低维半导体材料，其三个维度上的尺寸都不大于其对应的半导体材料的激子玻尔半径的两倍。
量子点一般为球形或类球形，其直径常在2-20 nm之间。
量子点由少数原子组成，也叫做半导体纳米晶体，当半导体晶体的颗粒尺寸可以达到纳米量级时，由于具有尺寸限域，在三个空间上载流子都会被束缚住，使其连续的能带被离散开，变成具有分子特性的能级，和原子的不连续电子能阶结构一样。
所以，量子点又有“人造原子”的称呼。
纳米材料导论 第六章光学性能
第六章纳米材料的光学性能第一节基本概念纳米材料的量子效应、大的比表面效应、界面原子排列和键组态的较大无规则等特性对纳米微粒的光学特性有很大影响，使纳米材料与同质的体材料有很大不同。
研究纳米材料光学特性的理论基础是量子力学，本章将不详述这种具体理论，但在了解纳米材料光学特性的过程中，经常会遇到以下几个概念，这里先作介绍。
一、激子激子(Exciton)可以简单地理解为束缚的电子-空穴对。
从价带激发到导带的电子通常是自由的，在价带自由运动的空穴和在导带自由运动的电子，通过库仑相互作用束缚在一起，形成束缚的电子-空穴对，就形成激子，电子和空穴复合时便发光，即以光子的形式释放能量，如图6-1所示。
根据电子和空穴相互作用的强弱，激子分为万尼尔（Wannier ）激子（松束缚）和弗仑克尔（Frenkel ）激子（紧束缚）。
在半导体、金属等纳米材料中通常遇到的多是万尼尔激子。
这种激子能量与波矢K 的关系可写为：)3,2,1(2)(2*22 n n R m K E K E g n（6-1）其中g E 为相应材料的能隙，**h e m m m 是电子和空穴的有效质量之和，*R 是激子的等效里德伯能量：eV 6.132* R , 是相对介电常数（有时直称为介电常数）， 是电子与空穴的折合质量，**111h e m m 。
如果（6-1）式中0 K ，则激子能量：)3,2,1()(2*n n R E K E g n（6-2）)(K E n 比能隙小，所以允许带间直接跃迁时，激子光吸收过程所需光子的能量比本征吸收要小，亦即在本征吸收限的长波方向存在与激子光吸收相对应的吸收过程。
图6-1 半导体激子及发光示意图由于激子的本征方程与类氢原子类似，激子的半径也是量子化的，最小的激子半径称之为激子玻尔半径，表示为：)nm (053.00 m a B（6-3）其中0m 是电子的静质量。
在半导体发光材料中，当材料体系的尺寸与激子玻尔半径相近时，就会出现量子限域效应，亦即系统中的能级出现一系列分立值，电子在能级出现量子化的系统中的运动受到了约束限制。
半导体量子点最低导带态的量子限制效应
的计算 量 十分 大 ，而 且存 在收 敛慢 的问题 。而
Ｅ Ｍ （ ｍ ｉ ｃｌ ｓｕ ｏ ｏ ｎｉｌ ｔｏ ） 方 法 ， Ｐ Ｅ ｐｒ ａ ｉ Ｐ ｅ ｄ ｐｔ ｔ Ｍｅ ｄ ｅ ａ ｈ
ｃ ｎ ｉ ｅ ｎ ｅｆ ｃｓ ｆ山 ｅ ｌ ｗ ｓ ｃ ｎ ｕ ｔ ｎ ｂ ｎ ｔ ｔｓ ｉ ｓ ｍｉ ｏ ｄ ｃｏ ｕ ｔ ｍ ｄ ｔ ｆ ｆ ｕ － ｏ ｆｎ ｍｅ ｔ ｆ ｔ ｅ ｏ ｏ ｅ ｔ ｏ ｄ ｃｉ ａ ｄ ｓａ ｅ ｎ ｅ ｃ ｎ ｕ ｔｒ ｑ ａ ｕ ｏ ｎ ｏｓ ｏ ｒ ｏ ｔ ｅ ｅ ｃ ｎ ｕ ｔｒ Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｔ ｅ ｒ ｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ａ ｉ ｒ ｉ ｔｅ ｓｚ ｆ ｑ ａ ｔ ｍ ｏ ｓ ｗｅ ｃａ － ｅ ｎ ｓ ｍｉ ｏ ｄ ｃ ｏ ． ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｌ ｉ ｉ ｅ ｅ ｔ ｂ ｈ ｖｏ ｓ ｗ ｔ ｈ ｉ ｏ ｕ ｎ ｕ ｄ ｔ ． ｌ ｉ ｈ ｅ ｌｓ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｂ ｓｎ ｎ ｗ ｙ ｃ ｌｕａｉ ｇ ｍｅ ｏ ｎ ｌｓｉａ ｃ ｌｕ ｍｉｎ ｒ ｓ ｌ ｏ ｕ ｎｕ ｔｅ ｒ ｓｒ ｃ ： ｙ ｕ ｉｇ ｅ ｌ ａｃ ｌｔ ｔ ｄ ａ ｄ ｃａ ｓｃ ｌ ａｃ ｌ ｏ ｅ ｕｔ ｆ ｑ ａ ｔ ｍ ｈ ｏｙ ｎ ｈ ｓ
ｂ ｎｄ ｔ ｅ ｉ ｓ ｍ ｉｏ ｄｕ ｔ ｒ ｕａ ｕ ｄｏ ｓ ， ａ ｓａｔｓ ｎ ｅ ｃ ｎ ｃ ｏ ｑ ｎｔ ｍ ｔ
Ｚ ｎ ｌｎ Ｃ ＨＵ Ｙｕ －ｕ ， ＨＥＮ Ｙｕ ｎ， Ｚ ａ ＨＡＩ Ｊ — ｎ ｕｔ ｇ ｉ
（ ｅａ ｍ ｎ ｏ Ｄ ｐ ｒ ｅｔ ｆ ｔ ｉ ，Ｂ ｑｎ ｎ ｅ ｉ ． ｅ ｉ ｒ ０ ８ １ Ｃ ｉ ） ｔ ｓ ｅ ｌ Ｕ ￣ ｍｚ Ｂ ｌ ｇ １０ ７ ， ｈ ｉ ｇ ｒ ｊ ｎ ｔ ｎ Ｕ ａ ． ａ Ｘｉｏ ｈ ｉ ｆⅫ ｓ Ｌ ｂｒ ｏ ＳＣ 鼬 ａｏ ｔ ｙｏ Ａ Ｉ ， ａｒ ｆ ｔ ｈ ００５ ， ５０１ Ｍ１
量子点
• 2、水相直接合成法：
• 在水相中直接合成量子点具有操作简便、重复性高、成本低、表面电 荷和表面性质可控，容易引入功能性基团，生物相容性好等优点，已 经成为当前研究的热点，其优良的性能有望成为一种有发展潜力的生 物荧光探针。目前，水相直接合成水溶性量子点技术主要以水溶性巯 基试剂作稳定剂。
• 近年来又发展了用其它类型试剂做稳定剂制备水溶性量子点的方法， Sondi等用氨基葡聚糖(aminodextran，Amdex)作稳定剂，在室温下合 成了CdSe量子点。
• 4、在同等画质下，QLED的节能性有望达到OLED屏的2倍，发光率将提升30% 至40%。同时QLED可以达到与无机半导体材料一样的稳定性、可靠性。
主要特性：
• 1、这种技术中用到的量子点（Quantum Dots）是 一些肉眼无法看到的、极其微小的半导体纳米晶 体，晶体中的颗粒直径不足10纳米。
• (4)量子点具有较大的斯托克斯位移(指荧光光谱较相应的吸收光谱红移)。量 子点不同于有机染料的另一光学性质就是宽大的斯托克斯位移，这样可以避 免发射光谱与激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测。
• (5)生物相容性好。量子点经过各种化学修饰之后，可以进行特异性连接，其 细胞毒性低，对生物体危害小，可进行生物活体标记和检测。
• (6)量子点的荧光寿命长。有机荧光染料的荧光寿命一般仅为几纳秒(这与很多 生物样本的自发荧光衰减的时间相当）。而量子点的荧光寿命可持续数十纳 秒（20ns一50ns)，这使得当光激发后，大多数的自发荧光已经衰变，而量子 点荧光仍然存在，此时即可得到无背景干扰的荧光信号。
• 总而言之，量子点具有激发光谱宽且连续分布，而发射光谱窄而对称，颜色 可调，光化学稳定性高，荧光寿命长等优越的荧光特性，是一种理想的荧光 探针。
半导体量子点及其应用概述
2011年8月第23期科技视界SCIENCE &TECHNOLOGY VISION 科技视界Science &Technology Vision作者简历:李世国(1978.04—),博士,深圳信息职业技术学院讲师,主要从事半导体低维光电材料与器件方面的研究。
半导体量子点及其应用概述李世国王新中范金坪夏林中张春晓杜军(深圳信息职业技术学院广东深圳518029)【摘要】半导体量子点是由少量原子组成的准零维的纳米量子结构,表现出较其它维度的结构的半导体材料更优越的性能,被广泛应用于量子计算、量子生物医学、量子光伏器件、量子发光器件和量子探测器中,是现在前沿科学研究的热门课题之一。
【关键词】量子点;纳米结构;量子效应;量子点应用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。
半导体量子点发光知识讲解
半导体量子点发光半导体量子点发光一、半导体量子点的定义当半导体的三维尺寸都小于或接近其相应物质体相材料激子的玻尔半径（约5.3nm）时，称为半导体量子点。
二、半导体量子点的原理在光照下，半导体中的电子吸收一定能量的光子而被激发，处于激发态的电子向较低能级跃迁，以光福射的形式释放出能量。
大多数情况下，半导体的光学跃迁发生在带边，也就是说光学跃迁通常发生在价带顶和导带底附近。
半导体的能带结构可以用图的简化模型来表示。
如图所示，直接带隙是指价带顶的能量位置和导带底的能量位置同处于一个K 空间，间接带隙是指价带顶位置与导带底位置的K空间位置不同。
电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这是半导体的发光现象。
对于半导体量子点，电子吸收光子而发生跃迁，电子越过禁带跃迁入空的导带，而在原来的价带中留下一个空穴，形成电子空穴对（即激子），由于量子点在三维度上对激子施加量子限制，激子只能在三维势垒限定的势盒中运动，这样在量子点中，激子的运动完全量子化了，只能取分立的束缚能态。
激子通过不同的方式复合，从而导致发光现象。
原理示意图，如图所示，激子的复合途径主要有三种形式。
(1)电子和空穴直接复合,产生激子态发光。
由于量子尺寸效应的作用,所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。
(2)通过表面缺陷态间接复合发光。
在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键,从而形成了许多表面缺陷态。
当半导体量子点材料受光的激发后,光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态而产生表面态发光。
量子点的表面越完整,表面对载流子的捕获能力就越弱,从而使得表面态的发光就越弱。
(3)通过杂质能级复合发光。
杂质能级发光是由于表面分子与外界分子发生化学反应生成其它杂质，这些杂质很容易俘获导带中的电子形成杂质能级发光。
以上三种情况的发光是相互竞争的。
如果量子点的表面存在着许多缺陷,对电子和空穴的俘获能力很强,电子和空穴一旦产生就被俘获,使得它们直接复合的几率很小,从而使得激子态的发光就很弱,甚至可以观察不到,而只有表面缺陷态的发光。
半导体量子点
半导体量子点
半导体量子点是一种纳米级别的半导体结构。
它由几十至几百个原子组成，具有在三个维度上限制的尺寸，长度通常在几纳米至数十纳米之间。
半导体量子点的大小范围使其具有很多独特的物理和化学性质，这些性质不同于宏观尺寸的半导体材料。
半导体量子点的电子结构不同于宏观尺寸的半导体材料，它们具有许多能级，这些能级间距相对较大，电子能够只在这些能级之间跳跃，从而呈现出许多新颖的光学，电学和化学性质。
半导体量子点在光催化，太阳能电池，量子计算机和荧光显微镜等方面有广泛的应用。
半导体量子点及其应用
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量子点的制备方法
1. 自组织量子点
形成原因: 晶格匹配与应力释放
需要控制: 尺寸,形状,密度分布
2. 胶体化学方法合成
Colloidal quantum dot Semiconductor Nanocrystals
3. 微加工方法
量子点是全新的一种大分子
对量子点的研究可以帮助理解 物质性质从原子、团簇到块体 的演变。
电子状态(波函数、能级)取决于电子所处的空间势能
原子中的电子
(无限大)晶体中的电子
小晶体中的电子
量子点的许多性质与尺寸相关:
核壳结构的nS CdS ZnSe 3.6 2.6 2.72 Lattice mismatch 10.6% 3.9% 6.3%
CdSe: 1.76 eV
Multiple exciton generation by single photon
更为复杂的结构
水溶性和生物相容性
量子点的应用之一：生物标记和疾病检测
Wide absorption Narrow emission
同时观察多信号细胞组分
光学稳定性
光学稳定性比传统有机染料提高100-1000倍
量子点的应用之二：LED和Display
传统LED: 半导体异质结-波长固定
OLED: 稳定性不足
第六章 半导体量子点
• 是一种由II－VI族或III－V族元素组成的纳米颗粒。 量子点的粒径一般介于1～10nm之间，由于电子和 空穴被量子限域，连续的能带结构变成具有分子特 性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。 • 基于量子效应，量子点在太阳能电池，发光器件， 光学生物标记等领域具有广泛的应用前景。 • 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上有 极大的应用潜力。
量子点: 尺寸更小,波长可 调,Display 更薄, 可以做白光LED
QDEF产品对比展示
QDEF产品对比展示
量子点的应用之三：太阳能电池
现有太阳能电池的问题是效率和成本
量子点粒子的优势:
1. 带隙随粒子尺寸可调 2. 吸收系数(截面)大 3. 晶格不对称造成的电子-空穴的自动 分离 4. 长的激子(电子–空穴对)寿命 5. 化学稳定性