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ZnSe/SiO_2半导体量子点玻璃的光谱特性研究

作　者: 罗志徽
导　师: 贺俊芳
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 光学
关键词: 半导体量子点玻璃 ZnSe 光谱表征吸收光谱稳态发射光谱时间分辨荧光光谱瞬态吸收光谱载流子动力学有效质量近似
分类号: O472.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

近年来，由于Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点玻璃所具有的纳米材料的特殊性质（如量子尺寸效应、表面效应和介电限域效应等）、高的三阶非线性光学效应和快速的光响应时间等优异的光学特性，预期将在光计算、光通讯及光电效应器件等方面具有很重要的应用前景，使之成为当前光功能材料研究的热点。 ZnSe/SiO₂半导体量子点玻璃是指ZnSe半导体纳米晶镶嵌于玻璃基质的一种0-3型纳米复合功能材料。ZnSe是典型的宽禁带直接带隙的Ⅱ-Ⅵ族半导体化合物，具有非常优异的光电性能，是蓝绿发光的重要候选材料，所以选择ZnSe作为纳米复合材料的功能活性组元具有重要的意义。但由于ZnSe纳米晶表面原子配位不足，存在大量的悬空键，很容易与环境中的物质发生反应而逐渐变质，因此纳米晶在空气中通常不稳定并发生团聚，使其应用受到限制，而将其镶嵌于玻璃基质中可以使纳米晶的稳定性得到改善。并且，半导体量子点微粒分散在玻璃基质中会表现出较强的介电增强现象，将表现出更多新的特性，充分发挥复合材料特有的优点。由于对ZnSe/SiO₂半导体量子点玻璃的研究很少见，所以，对ZnSe/SiO₂半导体量子点玻璃的光学表征必将提高我们对这种材料的光学性能的认识，也为Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点玻璃的光学性质的研究提供更多实验资料。本文采用UV-Vis透射光谱、稳态发射光谱和时间分辨荧光光谱和飞秒分辨瞬态吸收光谱等技术分别对采用溶胶凝胶法制备的ZnSe/SiO₂半导体量子点玻璃进行了实验研究，并结合有效质量模型进行了光谱表征和综合分析，以全面地了解这种纳米复合功能材料的微观结构、能级结构、发光特性和载流子动力学等信息。这不但有利于更深入地理解Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体量子点玻璃的光学性质，并且为材料制备人员提供必要的反馈信息，进一步改良制备方法以制造出更适合实际应用的复合材料。实验表明，所采用的多种光谱方法可以有效全面地表征半导体量子点玻璃的光学特性，既可以间接地得到材料的多方面的信息，如纳米晶的平均大小、尺寸分布、表面状态及掺杂情况等，又能够了解纳米晶内载流子动力学，如载流子的驰豫发光方式及荧光衰减寿命等。这将为人们更好地理解这种材料及其光学性能提供强大的技术支持。本文详细地介绍了半导体量子点玻璃的基本特性及其电子结构的分析理论、

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章引言  9-17
  1.1 半导体量子点玻璃  9-10
  1.2 溶胶—凝胶法  10-11
  1.3 纳米材料的特殊光学性质  11-13
    1.3.1 量子尺寸效应  11
    1.3.2 介电受限效应  11-12
    1.3.3 表面效应  12
    1.3.4 非线性光学效应  12-13
    1.3.5 快速光学响应速度  13
  1.4 半导体量子点玻璃的应用  13-14
    1.4.1 高速全光逻辑器件  13-14
    1.4.2 量子点激光器  14
    1.4.3 量子点照明光源  14
  1.5 纳米材料的光谱表征方法  14-15
  1.6 本研究的意义  15-17
第二章半导体量子点的电子结构  17-29
  2.1 激子的概念  17-18
  2.2 半导体量子点的电子结构  18-27
  2.3 小结  27-29
第三章吸收光谱  29-37
  3.1 概述  29
  3.2 紫外—可见—近红外分光光度计  29-30
  3.3 透射光谱  30
  3.4 吸收光谱分析  30-32
  3.5 纳米晶的尺寸估计  32-34
  3.6 不同掺杂浓度对透过光谱的影响  34
  3.7 小结  34-37
第四章稳态发射光谱  37-47
  4.1 概述  37-39
    4.1.1 激发谱和发射谱  37
    4.1.2 荧光的特点  37-38
    4.1.3 荧光寿命  38-39
  4.2 实验装置  39-40
    4.2.1 氙灯  39
    4.2.2 单色仪M300  39-40
    4.2.3 样品室  40
    4.2.4 微通道光电倍增管  40
  4.3 纳米晶的发光途径  40-42
    4.3.1 激子态发光  41
    4.3.2 表面态发光  41-42
    4.3.3 杂质能级发光  42
  4.4 稳态发射光谱  42-45
  4.5 小结  45-47
第五章时间分辨荧光光谱  47-61
  5.1 概述  47
  5.2 荧光寿命  47-48
  5.3 时间分辨荧光光谱技术  48-53
    5.3.1 时间相关单光子计数技术(TCSPC)  49-51
    5.3.2 荧光强度衰减曲线  51-52
    5.3.3 数据分析  52-53
  5.4 时间分辨荧光光谱仪  53-56
    5.4.1 种子光源——Tsunami  54
    5.4.2 再生放大系统——Spitfire  54-55
    5.4.3 光学参量放大系统——OPA-800cf  55-56
  5.5 时间分辨荧光光谱  56-58
  5.6 小结  58-61
第六章瞬态吸收光谱  61-69
  6.1 概述  61-63
  6.2 实验装置  63-64
    6.2.1 步进电机  64
    6.2.2 PIN管  64
  6.3 数据处理  64-65
  6.4 瞬态吸收光谱  65-67
  6.5 小结  67-69
第七章结论  69-71
  7.1 本文主要工作及结论  69
  7.2 存在问题及对今后工作的建议  69-71
参考文献  71-77
发表文章目录  77-79
致谢  79-80

ZnSe/SiO_2半导体量子点玻璃的光谱特性研究

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