量子点特性
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
荧光量子产率
定义
荧光量子产率（fluorescent quantum yield ）又称荧光量子效率，符号Yf。是指激发态分子中通过发射荧光而回到基态的分子占全部激发态分子的分数。 Yf=kf/(kf+Σki) 量子产率取决于辐射和非辐射跃迁过程，即荧光发射、系间跨越、外转移和内转移等的相对速率，式中kf是荧光发射的速率常数，Σki是系间跨越等非辐射跃迁过程的速率常数的总和。通常kf主要取决于分子的化学结构，Σki主要取决于化学环境，同时也与化学结构有关。磷光的量子产率与荧光相似。 荧光量子产率（Yf）即荧光物质吸光后所发射的荧光的光子数与所吸收的激发光的光子数之比值。它的数值在通常情况下总是小于1。YF的数值越大则化合物的荧光越强，而无荧光的物质的荧光量子产率却等于或非常接近于零。
量子尺寸效应
通过控制量子点的形状、结构和尺寸，就可以方便地调节其能隙宽度、激子束缚能的大小以及激子的能量蓝移等电子状态。随着量子点尺寸的逐渐减小，量子点的光吸收谱出现蓝移现象。尺寸越小，则谱蓝移现象也越显著，这就是人所共知的量子尺寸效应。
配体(ligand) 一、在化学领域 配体（ligand，也称为配基）是一个化学名词，表示可和中心原子（金属或类金属）产生键结的原子、分子和离子。一般而言，配体在参与键结时至少会提供一个电子。配体扮演路易斯碱的角色。但在少数情况中配体接受电子，充当路易斯酸。 在有机化学中，配体常用来保护其他的官能团（例如配体 BH3 可保护 PH3 ）或是稳定一些容易反应的化合物（如四氢呋喃作为 BH3 的配体）。中心原子和配基组合而成的化合物称为配合物。 一般配体可依其带电、大小、可提供电子数及其原子特性加以分类。
修饰后的发光强度会显著增强、稳定性增加[7]。
(4) 宏观量子隧道效应
传统的功能材料和元件，其物理尺寸远大于电子自由程，所观测的是群电子输运
行为，具有统计平均结果，所描述的性质主要是宏观物理量。当微电子器件进一步细
微化时，电子在纳米尺度空间中运动，物理线度与电子自由程相当，载流子的输运过
程将有明显电子的波动性。当电压很低时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电
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。量子肼的最基本特征是，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。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。具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。 量子阱的制备通常是通过将一种材料夹在两种材料（通常是宽禁带材料）之间而形成的。比如两层砷化铝之间夹着砷化镓。一般这种材料可以通过MBE（分子束外延）或者MOCVD（化学气相沉积）的方法来制备。
子点，当粒径与Wannier激子Bohr半径可比拟时，电子局限在纳米空间，处于强限域
区，易形成激子，产生激子吸收带。随着粒径的减小，激子带的吸收系数增加，出现
激子强吸收。由于小尺寸效应，激子的最低能量向高能方向移动即蓝移[7]。
(3) 表面效应
纳米微粒的一个显著特征是具有大的比表面积。材料的比表面积与微粒的尺寸成
宏观量子隧道效应
传统的功能材料和元件，其物理尺寸远大于电子自由程，所观测的是群电子输运行为，具有统计平均结果，所描述的性质主要是宏观物理量．当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑量子隧道效应。100nm被认为是微电子技术发展的极限，原因是电子在纳米尺度空间中将有明显的波动性，其量子效应将起主要功能．电子在纳米尺度空间中运动，物理线度与电子自由程相当，载流子的输运过程将有明显电子的波动性，出现量子隧道效应，电子的能级是分立的．利用电子的量子效应制造的量子器件，要实现量子效应，要求在几个μm到儿十个μm的微小区域形成纳米导电域。电子被“锁”在纳米导电区域，电子在纳米空间中显现出的波动性产生了量子限域效应。纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒，当电压很低时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海，使体系变为导电．电子从一个量子阱穿越量子垫垒进人另一个量子阱就出现了量子隧道效应，这种绝缘到导电的临界效应是纳米有序阵列体系的特点。
测量方法
荧光量子产率一般采用参比法测定。即在相同激发条件下，分别测定待测荧光试样和已知量子产率的参比荧光标准物质两种稀溶液的积分荧光强度（即校正荧光光谱所包括的面积）以及对一相同激发波长的入射光（紫外-可见光）的吸光度，再将这些值分别代入特定公式进行计算，就可获得待测荧光试样的量子产率： Yu = Ys ·Fu/Fs · As/AuYu、Ys —待测物质和参比标准物质的荧光量子产率； Fu、Fs —为待测物质和参比物质的积分荧光强度； Au、As —为待测物质和参比物质在该激发波长的入射光的吸光度（A=εbc）。 运用此公式时一般要求吸光度As、Au低于0.05。参比标准样最好选择其激发波长值相近的荧光物质。有分析应用价值的荧光化合物的Yu一般常在0.1-1之间。
量子限域效应
由于量子点与电子的De Broglie波长、相干波长及激子Bohr半径可比拟，电子局限在纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强，将引起量子限域效应。对于量子点，当粒径与Wannier激子Bohr半径aB相当或更小时，处于强限域区，易形成激子，产生激子吸收带。随着粒径的减小，激子带的吸收系数增加，出现激子强吸收。由于量子限域效应，激子的最低能量向高能方向移动即蓝移。最新的报道表面，日本NEC已成功地制备了量子点阵，在基底上沉积纳米岛状量子点阵列。当用激光照射量子点使之激励时，量子点发出蓝光，表明量子点确实具有关闭电子的功能的量子限域效应。当量子点的粒径大于Waboer激子Bohr半径岭时，处于弱限域区，此时不能形成激子，其光谱是由干带间跃迁的一系列线谱组成。
反比，尺寸越小，比表面积越大。例如，5 nm的CdS微粒有15%的原子处于表面，这
时表面原子对于微粒性质的影响将不能忽视。因此纳米微粒的表面修饰成为其应用和
性能优化的重要课题。一方面，由于大的比表面积以及大量的表面缺陷，使纳米微粒
具有更强的氧化还原能力，从而使其具有很强的催化活性。例如，CdSe纳米微粒经
介电限域效应
介电限域效应 随着纳米晶粒粒径的不断减小和比表面积不断增加，其表面状态的改变将会引起微粒性质的显著变化。例如，当在半导体纳米材料表面修饰一层某种介电常数较小的介质时，相对裸露于半导体纳米材料周围的其它介质而言，被包覆的纳米材料中电荷载体的电力线更易穿过这层包覆膜，从而导致它比裸露纳米材料的光学性质发生了较大的变化，这就是介电限域效应。当纳米材料与介质的介电常数值相差较大时，便产生明显的介电限域效应，此时，带电粒子间的库仑作用力增强，结果增强了电子-空穴对之间的结合能和振子强度，减弱了产生量子尺寸效应的主要因素——电子-空穴对之间的空间限域能，即此时表面效应引起的能量变化大于空间效应所引起的能量变化，从而使能带间隙减小，反映在光学性质上就是吸收光谱表现出明显的红移现象。纳米材料与介质的介电常数相差越大，介电限域效应就越明显，吸收光谱红移也就越大。近年来，在纳米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均观察到了红外振动吸收。
级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分
子轨道能级
学性质变化，而且其电学性质也有明显的差别。随着粒径的减小，有效带隙增大，与
块体物质相比其光生电子具有更负的电位，相应地具有更强的还原性，而光生空穴将
[编辑本段]量子效应
表面效应
表面效应是指随着量子点的粒径减小，大部分原子位于量子点的表面，量子点的比表面积随粒径减小而增大。由于纳米颗粒大的比表面积，表面相原子数的增多，导致了表面原子的配位不足、不饱和键和悬键增多．使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。这种表面效应将引起纳米粒子大的表面能和高的活性。表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和结构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。表面缺陷导致陷阱电子或空穴，它们反过来会影响量子点的发光性质、引起非线性光学效应。金属体材料通过光反射而呈现出各种特征颜色，由于表面效应和尺寸效应使纳米金属颗粒对光反射系数显著下降，通常低于1%，因而纳米金属颗粒一般呈黑色，粒径越小，颜色越深，即纳米颗粒的光吸收能力越强，呈现出宽频带强吸收谱。
当量子点的尺寸接近其激子波尔半径aB时，随着尺寸的减小，其载流子（电子、空穴）的运动将受限，导致动能的增加，原来连续的能带结构变成准分立能级，并且由于动能的增加而使得量子点的有效带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移，而且尺寸越小，蓝移程度越大，这就是量子限域效应
(1) 量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能
因具有更正的电位而具有更强的氧化性[6]。
(2) 小尺寸效应
当纳米粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等
物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，物质的声、光、电、
5
华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文
磁、热、力学等性质均会产生新的特征，性质的这种变化称之为小尺寸效应。对于量
压可以使电子越过纳米势垒进入另一个量子阱，就出现了量子隧道效应。在单电子晶
体管只要控制单个电子的运动，就可以观测到单电子隧道效应，实现读写功能。这种
单电子输运现象在C60 和碳纳米管中已经得到观测[8]
TEM百科名片
透射电子显微镜（英语：Transmission electron microscopy，缩写TEM），简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射电子显微镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2µm、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。
定义
荧光量子产率（fluorescent quantum yield ）又称荧光量子效率，符号Yf。是指激发态分子中通过发射荧光而回到基态的分子占全部激发态分子的分数。 Yf=kf/(kf+Σki) 量子产率取决于辐射和非辐射跃迁过程，即荧光发射、系间跨越、外转移和内转移等的相对速率，式中kf是荧光发射的速率常数，Σki是系间跨越等非辐射跃迁过程的速率常数的总和。通常kf主要取决于分子的化学结构，Σki主要取决于化学环境，同时也与化学结构有关。磷光的量子产率与荧光相似。 荧光量子产率（Yf）即荧光物质吸光后所发射的荧光的光子数与所吸收的激发光的光子数之比值。它的数值在通常情况下总是小于1。YF的数值越大则化合物的荧光越强，而无荧光的物质的荧光量子产率却等于或非常接近于零。
量子尺寸效应
通过控制量子点的形状、结构和尺寸，就可以方便地调节其能隙宽度、激子束缚能的大小以及激子的能量蓝移等电子状态。随着量子点尺寸的逐渐减小，量子点的光吸收谱出现蓝移现象。尺寸越小，则谱蓝移现象也越显著，这就是人所共知的量子尺寸效应。
配体(ligand) 一、在化学领域 配体（ligand，也称为配基）是一个化学名词，表示可和中心原子（金属或类金属）产生键结的原子、分子和离子。一般而言，配体在参与键结时至少会提供一个电子。配体扮演路易斯碱的角色。但在少数情况中配体接受电子，充当路易斯酸。 在有机化学中，配体常用来保护其他的官能团（例如配体 BH3 可保护 PH3 ）或是稳定一些容易反应的化合物（如四氢呋喃作为 BH3 的配体）。中心原子和配基组合而成的化合物称为配合物。 一般配体可依其带电、大小、可提供电子数及其原子特性加以分类。
修饰后的发光强度会显著增强、稳定性增加[7]。
(4) 宏观量子隧道效应
传统的功能材料和元件，其物理尺寸远大于电子自由程，所观测的是群电子输运
行为，具有统计平均结果，所描述的性质主要是宏观物理量。当微电子器件进一步细
微化时，电子在纳米尺度空间中运动，物理线度与电子自由程相当，载流子的输运过
程将有明显电子的波动性。当电压很低时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电
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。量子肼的最基本特征是，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。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。具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。 量子阱的制备通常是通过将一种材料夹在两种材料（通常是宽禁带材料）之间而形成的。比如两层砷化铝之间夹着砷化镓。一般这种材料可以通过MBE（分子束外延）或者MOCVD（化学气相沉积）的方法来制备。
子点，当粒径与Wannier激子Bohr半径可比拟时，电子局限在纳米空间，处于强限域
区，易形成激子，产生激子吸收带。随着粒径的减小，激子带的吸收系数增加，出现
激子强吸收。由于小尺寸效应，激子的最低能量向高能方向移动即蓝移[7]。
(3) 表面效应
纳米微粒的一个显著特征是具有大的比表面积。材料的比表面积与微粒的尺寸成
宏观量子隧道效应
传统的功能材料和元件，其物理尺寸远大于电子自由程，所观测的是群电子输运行为，具有统计平均结果，所描述的性质主要是宏观物理量．当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑量子隧道效应。100nm被认为是微电子技术发展的极限，原因是电子在纳米尺度空间中将有明显的波动性，其量子效应将起主要功能．电子在纳米尺度空间中运动，物理线度与电子自由程相当，载流子的输运过程将有明显电子的波动性，出现量子隧道效应，电子的能级是分立的．利用电子的量子效应制造的量子器件，要实现量子效应，要求在几个μm到儿十个μm的微小区域形成纳米导电域。电子被“锁”在纳米导电区域，电子在纳米空间中显现出的波动性产生了量子限域效应。纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒，当电压很低时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海，使体系变为导电．电子从一个量子阱穿越量子垫垒进人另一个量子阱就出现了量子隧道效应，这种绝缘到导电的临界效应是纳米有序阵列体系的特点。
测量方法
荧光量子产率一般采用参比法测定。即在相同激发条件下，分别测定待测荧光试样和已知量子产率的参比荧光标准物质两种稀溶液的积分荧光强度（即校正荧光光谱所包括的面积）以及对一相同激发波长的入射光（紫外-可见光）的吸光度，再将这些值分别代入特定公式进行计算，就可获得待测荧光试样的量子产率： Yu = Ys ·Fu/Fs · As/AuYu、Ys —待测物质和参比标准物质的荧光量子产率； Fu、Fs —为待测物质和参比物质的积分荧光强度； Au、As —为待测物质和参比物质在该激发波长的入射光的吸光度（A=εbc）。 运用此公式时一般要求吸光度As、Au低于0.05。参比标准样最好选择其激发波长值相近的荧光物质。有分析应用价值的荧光化合物的Yu一般常在0.1-1之间。
量子限域效应
由于量子点与电子的De Broglie波长、相干波长及激子Bohr半径可比拟，电子局限在纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强，将引起量子限域效应。对于量子点，当粒径与Wannier激子Bohr半径aB相当或更小时，处于强限域区，易形成激子，产生激子吸收带。随着粒径的减小，激子带的吸收系数增加，出现激子强吸收。由于量子限域效应，激子的最低能量向高能方向移动即蓝移。最新的报道表面，日本NEC已成功地制备了量子点阵，在基底上沉积纳米岛状量子点阵列。当用激光照射量子点使之激励时，量子点发出蓝光，表明量子点确实具有关闭电子的功能的量子限域效应。当量子点的粒径大于Waboer激子Bohr半径岭时，处于弱限域区，此时不能形成激子，其光谱是由干带间跃迁的一系列线谱组成。
反比，尺寸越小，比表面积越大。例如，5 nm的CdS微粒有15%的原子处于表面，这
时表面原子对于微粒性质的影响将不能忽视。因此纳米微粒的表面修饰成为其应用和
性能优化的重要课题。一方面，由于大的比表面积以及大量的表面缺陷，使纳米微粒
具有更强的氧化还原能力，从而使其具有很强的催化活性。例如，CdSe纳米微粒经
介电限域效应
介电限域效应 随着纳米晶粒粒径的不断减小和比表面积不断增加，其表面状态的改变将会引起微粒性质的显著变化。例如，当在半导体纳米材料表面修饰一层某种介电常数较小的介质时，相对裸露于半导体纳米材料周围的其它介质而言，被包覆的纳米材料中电荷载体的电力线更易穿过这层包覆膜，从而导致它比裸露纳米材料的光学性质发生了较大的变化，这就是介电限域效应。当纳米材料与介质的介电常数值相差较大时，便产生明显的介电限域效应，此时，带电粒子间的库仑作用力增强，结果增强了电子-空穴对之间的结合能和振子强度，减弱了产生量子尺寸效应的主要因素——电子-空穴对之间的空间限域能，即此时表面效应引起的能量变化大于空间效应所引起的能量变化，从而使能带间隙减小，反映在光学性质上就是吸收光谱表现出明显的红移现象。纳米材料与介质的介电常数相差越大，介电限域效应就越明显，吸收光谱红移也就越大。近年来，在纳米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均观察到了红外振动吸收。
级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分
子轨道能级
学性质变化，而且其电学性质也有明显的差别。随着粒径的减小，有效带隙增大，与
块体物质相比其光生电子具有更负的电位，相应地具有更强的还原性，而光生空穴将
[编辑本段]量子效应
表面效应
表面效应是指随着量子点的粒径减小，大部分原子位于量子点的表面，量子点的比表面积随粒径减小而增大。由于纳米颗粒大的比表面积，表面相原子数的增多，导致了表面原子的配位不足、不饱和键和悬键增多．使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。这种表面效应将引起纳米粒子大的表面能和高的活性。表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和结构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。表面缺陷导致陷阱电子或空穴，它们反过来会影响量子点的发光性质、引起非线性光学效应。金属体材料通过光反射而呈现出各种特征颜色，由于表面效应和尺寸效应使纳米金属颗粒对光反射系数显著下降，通常低于1%，因而纳米金属颗粒一般呈黑色，粒径越小，颜色越深，即纳米颗粒的光吸收能力越强，呈现出宽频带强吸收谱。
当量子点的尺寸接近其激子波尔半径aB时，随着尺寸的减小，其载流子（电子、空穴）的运动将受限，导致动能的增加，原来连续的能带结构变成准分立能级，并且由于动能的增加而使得量子点的有效带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移，而且尺寸越小，蓝移程度越大，这就是量子限域效应
(1) 量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能
因具有更正的电位而具有更强的氧化性[6]。
(2) 小尺寸效应
当纳米粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等
物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，物质的声、光、电、
5
华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文
磁、热、力学等性质均会产生新的特征，性质的这种变化称之为小尺寸效应。对于量
压可以使电子越过纳米势垒进入另一个量子阱，就出现了量子隧道效应。在单电子晶
体管只要控制单个电子的运动，就可以观测到单电子隧道效应，实现读写功能。这种
单电子输运现象在C60 和碳纳米管中已经得到观测[8]
TEM百科名片
透射电子显微镜（英语：Transmission electron microscopy，缩写TEM），简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射电子显微镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2µm、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。