量子点知识

量子点的基本知识

量子点是继超晶格和量子阱之后，于上个世纪80年代中后期和量子线同时发展起来的一类新型低维量子结构。其历史最早可以追溯到作为光催化剂的半导体胶体【】。当时为了提高光催化性而减小粒子的尺寸时，就发现随着粒子尺寸的减小，粒子的颜色发生了变化。例如体相呈橙色的Cds随粒径的减小而逐渐变成黄色、浅黄色甚至白色，但当时并未对这一现象进行深入的研究。1962年，日本理论物理学家Kubo提出了金属颗粒的量子尺寸效应【】，使人们从理论上对这个效应有了一定的认识，并开始对包括半导体在内的一些材料进行了相应的研究。但直到上个世纪80年代初期，对半导体量子点材料的研究还形成规模。促使人们开始大规模对半导体量子点材料进行研究的起因，源于1983年美国Hughes研究所的R.K.Jain和R.C.Lind发表的一篇论文【】。它们在市售的CdS1-x Se x 半导体微晶掺杂的光学滤波玻璃上观测到了很高的三次非线性光学效应和快速的光响应（皮秒量级），可望在超高速的光运算、全光开关和光通信等方面具有广阔的应用前景。正是以这篇文章为契机，科学工作者们开始积极投身到这一研究领域中来。

量子点的定义

量子点通常是指由人工制造的尺寸为10nm-1μm的微小晶体结构，其中含有1~1000个可被控制的电子。顾名思义，量子点即是将材料的尺寸在三维空间进行约束，并达到一定的临界尺寸（抽象成一个点）后，材料的材料的行为具有了量子特性，结构和性质也随之发生从宏观到微观的转变。其典型特征是电子波函数的完全局域化和电子能谱的量子化。量子点材料的研究是一个涉及多科学的交叉领域研究，因而其名称也是多种多样的。例如，材料科学家称之为超细颗粒；晶体学家称之为微晶、纳米晶粒；原子分子物理学家称之为量子点。不同学科在量子点领域的交汇，一方面丰富了研究思想和方法，另一方面也开拓了应用领域和潜在的市场。

量子点的分类

量子点有很多种分类方法：按其集合形状可以分为箱形量子点、圆盘形量子点、球形量子点、四面体形量子点、圆柱形量子点、透镜形量子点和外场诱导量子点等；按其材料组成，可分为元素半导体量子点、化合物半导体量子点、半导

体异质结量子点及金属量子点等等；按其内部势阱的个数可分为量子阱量子点（量子点内部存在两个以上的势阱，也称为非均匀量子点）和均匀量子点；研究量子点的I-V特性时，按电流垂直流过量子点还是平行流过量子点，量子点可以分为横向量子点和纵向量子点。

量子点结构的奇异特性

量子点所具有的特殊属性，主要源于它的特殊几何尺寸。我们知道当体系的尺寸与物理的特征量相比拟时，量子效应十分显著，量子力学原理将起重要作用，电子在量子点中的运动规律将出现经典物理难以解释的新现象。量子点作为一个微型实验室展现了丰富的意想不到的特征：量子尺寸效应、量子隧穿效应、量子干涉效应、库伦阻塞效应、介电受限效应、非线性光学效应等等。

量子尺寸效应

量子尺寸效应所描述的是，当半导体材料从体相减小某一临界尺寸，如量子点的尺寸和电子的德布罗意波长或电子的非弹性散射平均自由程和体相激子的波尔半径想当时，其中的电子、空穴和激子等载流子的运动受到强量子封闭性的限制，同时导致其能量的增加。与此相应，电子结构也将从体材料的连续能带结构变成类似于分子的准分裂能级，并且由于能量的增加，使原来的能隙增加，即吸收光谱向短波方向移动，即半导体量子点的能隙相对于体材料有较大的蓝移，并随着尺寸的减小，蓝移量变大，量子点的放光强度也就进一步增加。在光学性质方面引起光吸收谱和光致发光谱峰的蓝移等现象。迄今位置，在理论上，人们已从固体能带理论和量子力学理论出发，采用各种模型和方法，对各种量子点的电子结构进行了常识性的研究，从而深刻解释了量子点所具有的量子尺寸效应。在实验方面，人们已利用共振光散射、远红外激发和磁阻振荡等方法对量子尺寸效应进行了实验验证【】。

量子隧穿效应

在量子阱结构中，隧穿与势垒有密切联系。对于一个异质结而言，如果第一种材料中的电子能量第一第二种材料中的电子能量，那么第二种材料就成为阻挡电子运动的势垒。但当势垒层较薄时，电子的量子力学波动性开始起作用，它会以隧穿的方式通过这个势垒而形成隧道电流，这就是量子隧穿效应。在量子点结构中也存在明显的量子隧穿效应。由于强烈的三维量子限制作用，使得电子能级

的值都是量子化的，而且每个能级上都可以积累一定数目的电子。如果相邻两个量子点之间距离很近，以至于能够使得量子隧穿过程发生，那么在外加电场的作用下，电子就可以在相邻的两个量子点能级之间进行跃迁。利用量子点的这种可积蓄或转送电子的原理，可以构想大容量存储器或并行运算处理器【】。如果改变外加电场，使电子所具有的能量恰好与量子点中一个电子能级所具有的能量值相等，则电子就能隧穿到量子点中并发生共振。这种现象仅发生在某一特定电压下，而在其它电压下量子能级中间的能量区域不能发生共振，利用这种共振隧穿效应可以精确控制半导体器件的开关状态。

库伦阻塞效应

库伦阻塞效应【】是量子点结构中所特有的量子化效应，它已经成为低维物理中的一个重要研究方向；。库伦阻塞效应与单电子隧穿是紧密联系在一起的，它表现为体系静电能量对电子隧穿过程的影响。库伦阻塞效应在半导体量子点结构中普遍存在。由于纳米级的量子点的电容C仅为10-18F量级，其中增加或减少一点电子的电量e时电势能的变化e2/C（称为库伦能）可到几十meV，这个能量常大于热运动的能量k B T和电子的量子化能量。这意味着当一个电子隧穿进入量子点后，它会阻止下一个电子进入量子点。也就是说电子不能通过量子点集体传输，而是单电子的传输。对于具有隧道谐振势垒的三个耦合量子点的低温隧穿测试表明，随着耦合作用的增加，其库伦阻塞电导峰将分裂成三个峰【】。对于一个单量子点接触样品，在强隧穿条件下，会产生库仑振荡现象。对于一个立方形量子点结构，它所具有的自旋阻塞效应直接影响量子点中电子的低温输运特性，在线性区域它将影响电导峰的高度，在非线性区域它将产生负微分电导。对于一个具有台面刻蚀栅的新型量子点结构，单电子的隧穿输运会导致漏电流的量子化，即在漏电流---源漏电压的关系曲线上出现一系列平台。

介电受限效应

1979年，Keldysh首次研究了层状结构的介电受限效应【】。随后人们对量子阱、量子线和量子点的介电受限效应进行了研究。通常情况下，半导体量子点是镶嵌在其它介电常数相对较小的基体材料（如玻璃、半导体材料和有机聚合物）中的。当半导体材料从体相减小到可以产生量子尺寸效应以后，量子点中的电子、空穴和激子等载流子受到由于量子点材料和基体材料的介电性质不同引起量子