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摘要

由于量子点具有尺寸效应，一般情况下量子点的荧光光谱的半峰宽与染料相比较宽。对于掺杂量子点，因为特殊的杂质能级及杂质发光，致使光谱可能不表现出量子尺寸效应。但是一直以来对量子点发光受激发光的影响没有统一的认识。本文从研究纯量子点与杂质量子点的发光机理出发，研究激发光强度对量子点发光强度及发光波长的影响。

通过实验得到，无论是纯量子点还是掺杂量子点，荧光峰强度随波长（在一定范围内）的变长而变大。理论上来讲，无论是纯量子点还是掺杂量子点，荧光峰的位置应该不随波长的改变而改变。但是由于合成的量子点尺寸并不一致，而不同尺寸的材料对应不同激发光时的活性不同，当材料具有明显的量子尺寸效应时，荧光峰的位置会发生变化。另外，还做出了关于In能级位置的推测。

关键词：激发光强度，量子点，荧光峰，In能级。

Abstract

Because the quantum dots have the quantum size effect，the half maximum width of the fluorescence spectra of the quantum dots is wider than dye. Because of the impurity level and impurity luminescence, the quantum dots may not exhibit quantum size effects. But there is no unified understanding of the influence of the luminescence of quantum dots. We study the luminescence mechanism of pure quantum dots and impurities quantum dots to study the influence of the intensity of the stimulated emission on the emission of quantum dots and the wavelength of the luminescence.

Either pure quantum dots or doped quantum dots, the intensity of fluorescence peak becomes larger with wavelength. Theoretically speaking, either pure quantum dots or doped quantum dots, the position of fluorescence peak should not change with wavelength. However, the size of the synthesized quantum dot is not the same, the position of fluorescence peak will change. In addition, the In level position of the conjecture is also speculated.

摘要 2

Abstract 3

第一章 绪论 6

1.1量子点 6

1.1.1量子尺寸效应 6

1.1.2表面效应 6

1.1.3荧光量子效率 7

1.2光的吸收与荧光的产生 7

1.2.1光的吸收定律（朗伯比尔定律） 7

1.2.2光致荧光 9

1.3量子点的制备 10

1.3.1有机金属法及有机“绿色化学”法 10

1.3.2 巯基水相法 12

1.3.3 表面修饰与后处理 14

1.4量子点的应用 15

1.4.1荧光标记 15

1.4.2光电器件 16

1.4.3离子探测 17

1.5本论文主要的研究内容 17

第二章 纯和掺杂量子点的制备及测量 18

2.1实验试剂 18

2.2实验操作 18

2.2.1 NaHSe的制备 18

2.2.2 NaHTe的制备 18

2.2.3 CdTe量子点的制备 18

2.2.4 ZnSe量子点的制备 19

2.2.5 Cu:ZnSe量子点的制备 19

2.2.6 Ag:ZnSe量子点的制备 19

2.2.7 Cu:ZnInSe量子点的制备 19

2.2.8 Cu:ZnInSe量子点的制备 19

2.3实验测试 20

2.3.1测量吸收 20

2.3.2测量激发 20

第三章 实验数据分析 21

3.1纯量子点CdTe和ZnSe光谱分析 21

3.2单掺杂量子点Cu:ZnSe和Ag:ZnSe光谱分析 23

3.3双掺杂量子点Cu:ZnInSe和Ag:ZnInSe光谱分析 26

3.4本章小结 28

致谢 29

参考文献 30

第一章绪论

1.1量子点

量子点（quantum dot，QD）又可称为半导体纳米微晶体（semiconductor nanocrystal），是一种由II-VI族或III-V族元素组成并且三个纬度均处于纳米量级(1~100 nm)的微粒，属于准零维的一种纳米材料。它们既具有区别于普通纳米微粒杂乱原子排布，又具有类似于体相晶体的规整原子排列。量子点的性质往往不能由经典物理定律以及量子化学来解释，表现出特殊的声、光、电、磁、热、力等性质。由于量子点具有量子尺寸效应、大的比表面积，其电学及光学上的性质与自身尺寸和材料的表面结构等关系十分密切^[1]。对通过化学方法合成量子点进行适当的表面修饰能够有效地提高量子点的光学、化学及催化性质。

1.1.1量子尺寸效应

大块材料的能带可以看作是准连续的，由于量子点的尺寸与激子波尔半径相当，当量子点尺寸下降到一定大小时，其费米能级附近的电子能级变为离散能级并且带隙随尺寸减小而变宽的现象，就是所谓的量子尺寸效应^[2]。当颗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，破坏了晶体周期的边界条件，颗粒表层原子密度减小，使得颗粒的声、光、电、磁、热、力学等特性产生变化的现象称为小尺寸效应^[4]。以光学性质为例，当黄金被切分成小于光波的尺寸时，颜色将变为黑色。事实上，所有超微粒金属都呈现黑色。此外，与大尺寸材料相比，小尺寸材料的吸收和发射光谱存在蓝移现象。由于量子尺寸效应的影响，半导体材料能级的结构由连续变为分立，量子点的吸收光谱以及荧光发射光谱随尺寸的减小而蓝移。以CdSe量子点为例，随着量子点尺寸的减小，吸收边带逐渐蓝移，并且出现多个分立的激子吸收峰，荧光的颜色也由红色逐渐变为蓝绿色。大多Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点都有与CdSe相近的光谱特征^[3]。这说明，仅改变量子点的尺寸，并不用改变其化学组成和晶体结构，就能使得光致荧光的颜色发生改变，使得实验变得十分有趣。

1.1.2表面效应

量子点的表面原子数与总原子数之比随粒径的变化而急剧增大^[5]引起的材料性质的变化。量子点表面原子数目与本身尺寸成反比（球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积与直径成反比。），并具有较大的比表面积，随着量子点尺寸的减小，量子点表面原子所占比例大幅提高，微粒的表面能及表面张力亦随之增大，具有极高的化学活性，从而引起纳米材料性质发生变化^[6]。一般来说，表面效应对于量子点的发光性质是不利的，吸收的一部分能量以非辐射的形式散发出去，降低了量子点的发光效率。但我们也可以通过调制，制备出发白光的量子点^[7]。

1.1.3荧光量子效率

荧光量子效率又称为光致荧光效率（简称QY)，是指纳米晶受激发出的光子数目与激发光源光子数目之比。量子效率直接对应于光能的利用率，光能的利用效率越高，纳米晶的发光性质越好。常用的有机染料及其量子效率见表1-1。纳米晶的量子效率可由下式计算：
………………....……….…………….(1-1)

公式中：为量子效率；S是荧光的积分面积；N代表溶剂的折射率；A代表激发波长处的吸收值；角标s和x分别代表参比染料和被测样品。

表1-1 常用的有机染料及其荧光量子效率

1.2光的吸收与荧光的产生

1.2.1光的吸收定律（朗伯比尔定律）

由朗伯比尔定律可知，入射光的强度并不能影响光被透明介质吸收的比例，在光程上每等厚层介质吸收光的比例（吸收系数）相同。半导体材料的吸收特性主要由吸收波长（带边波长和峰值波长）和吸收系数给出^[8]。带边波长据定于带隙能量（禁带宽度），关系式为：

…….…………………………………………………………...(1-2)

光在含有半导体的介质中传播时，光的强度I按如下指数形式衰减

……………………………………………………………....(1-3)

其中，为入射光的强度；l为入射光的穿透距离（单位为cm）；为吸收长度的倒数。在吸收带边，随光子能量增加而增加

…………………………………..................................(1-4)

在溶液中，如果没有量子尺寸响应的影响，消光光谱可以用Mie理论（球形介质在麦克斯韦方程组下的解析解）描写。假定半导体为球体，求之间的距离比波长大，这时球可以独立地散射光和自由地取向。入射光波长必须远大于半导体的粒径R。在这种半导体粒子的单分散胶体中，半导体吸收长度的倒数与粒子的介电常数、单位体积中粒子的浓度c、粒子的体积、粒子分散体系溶剂的折射率、入射光的波长有关，关系式为：