InGaN量子点
提高发光效率的方法
提高发光效率的方法引言在现代社会的科学和技术发展中，发光效率的提高是一个重要的研究方向。
发光效率的高低直接影响到我们使用光源的质量、能源利用效率以及环境保护等方面。
本文将深入探讨提高发光效率的方法，包括材料选择、结构设计以及相关技术的发展等方面。
材料选择1. 半导体材料的优化半导体材料是光电器件发光效率的关键因素之一。
通过探究不同材料的特性和优缺点，可以选择合适的半导体材料来提高发光效率。
(1) 宽能隙材料宽能隙材料具有较大的能带间隙，如氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等。
这类材料能够发出较短波长的光，光子能量大，发光效率相对较高。
因此，采用宽能隙材料作为发光材料可以提高发光效率。
(2) 氮化物材料氮化物材料因其较大的禁带宽度和优良的热稳定性而备受关注。
该类材料包括氮化镓(GaN)、氮化铟钡(InGaN)等。
氮化物材料具有较高的电子迁移率和较低的杂质浓度，可以提高发光器件的效率并降低能耗。
2. 扩大反射率提高发光效率的另一个关键因素是扩大反射率，减少光的损失。
(1) 全反射层在发光器件中添加全反射层可以提高发光效率。
全反射层通常由多层介质膜组成，其折射率顺序变化，使得光在反射层和半导体材料间反复反射，从而增强发光效果。
(2) 溅射金属利用溅射金属的方式可以在发光器件内部形成高反射率的表面，从而提高发光效率。
选择合适的金属材料和溅射条件，可以得到较高的反射率。
结构设计1. 纳米结构纳米结构在提高发光效率方面起着重要作用。
(1) 量子点量子点是一种纳米材料，具有较小的尺寸。
通过调节量子点的尺寸和材料的性质，可以实现在不同波长范围内的发光效果。
量子点发光器件能够显著提高发光效率，应用前景广阔。
(2) 纳米线利用纳米线构建发光器件可以有效增强光的抓取和提高光的辐射效率。
纳米线具有大比表面积和高光利用率的特点，因此成为提高发光效率的重要手段。
2. 界面调控在发光器件的界面处进行调控也是提高发光效率的有效方法。
InxGa1-xN／GaN柱形量子点中电子的能级研究
起来 ，小 岛 中 的 载 流 子 将 受 到 三 维 限 制 ；小 岛 的 直 径 为 几 纳 米 ，高 约 几 个 到 几 十 个 纳 米 ，这 就 是
Ｉ Ｎ／ Ｎ 量 子点 。 ｎ Ｇａ Ｇａ 在量 子点 中的 电子 能 级 问题 上 ，文献 Ｅ ９详 细地 研 究 了柱 形 量 子 点 中 电 子 的 ３ 能级 ，但 没有考 虑 势 阱为有 限深 的情 况 。 笔者 以 Ｉ Ｇａ一 Ｇａ 柱 形量 子 点 为研 究 对 象 ， 柱 形 量 子点 Ｎ／ Ｎ 从
率 密度 。计 算 结 果 发 现 ， ｘ ａ一Ｎ／ Ｎ 量 子 点 中电 子 Ｚ 方 向 的 能 量 较 大 ， 方 向越 窄 ， 能 量 越 大 ， 方 向 Ｉ Ｇ ｎ Ｇａ Ｚ 其 径 能 量 与 角 动 量 量 子 数 ｍ、 向 半 径 Ｒ 有 关 ， 量 子 数 越 大 ， 级 越 高 ， 角 量 子 数 ｍ 确 定 后 ， 子 点 的 能 量 径 角 能 当 量 与径 向半 径 Ｒ 有 关 ， 向半 径 越 大 ， 量 越 小 。 径 能 当柱 形 量 子 点处 于 基 态 时 ， 电 子 云 概 率 密度 分 布 呈 类 椭 圆 其 形 ， 靠 近 中心 处 概 率 密 度 越 大 ， 随 着 径 向坐 标 ｐ的 增 大 而 减 小 。 越 并
Ｉｘ ａ．Ｎ／ Ｎ量 子 点是 通过 Ｓｒｎ ｋ— ａｔｎ ｗ （ ＿ ｎＧ Ｇａ ｔａ ｓ ｉ Ｋｒｓａ ｏ Ｓ Ｋ）生 长模 式 形成 的Ｌ 。在 外 延 的初 始 阶段 ， ２ ］
【国家自然科学基金】_量子点量子阱_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
2014年 序号 1 2 3
2014年 科研热词 量子点 光学性质 gan 推荐指数 1 1 1
推荐指数 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
科研热词 量子点 发光器件 发光二极管 双波长led 光谱调控 ge/si量子点 ge/sige量子阱 ge gan
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
2011年 科研热词 量子结构 量子尺寸效应 激子效应 超晶格 电致发光 光致发光 ⅱ-ⅵ族化合物半导体 ingan/gan多量子阱 ii-vi族化合物半导体 推荐指数 2 2 2 1 1 1 1 1 1
2008年 序号 1 2 3 4
科研热词 推荐指数 隧穿 1 复合 1 光致发光 1 zncdse量子阱/cdse量子点 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
科研热词 量子阱 量子点 弛豫缓冲层 光致发光谱 低维无机非金属材料 量子线 量子点模型 量子点半导体光放大器 速率方程 超辐射发光管 自组织量子点 纳米结构 硅 数值模拟 尺寸非均匀性 宽光谱 太阳电池 大功率 发光二极管 占有几率 光增益 ingan/gan
推荐指数 4 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
பைடு நூலகம்
科研热词 非线性混合 量子相干 量子点量子阱 量子点激光器 量子尺寸效应 自发辐射率 腔模移动 结温 红外发射 气源分子束外延 有效质量近似 半导体异质结
AgInS2 量子点研究进展
文章编号:1001-9731(2014)04-04009-08A g I n S2量子点研究进展∗谢翠萍1,向卫东1,2,骆㊀乐1,钟家松1,赵斌宇1,梁晓娟2(1.同济大学材料科学与工程学院,上海201804;2.温州大学化学与材料工程学院,浙江温州325035)摘㊀要:㊀Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族新型三元半导体量子点A g I n S2,不仅具备了量子点所具有的优异性能,同时以其低毒环保的优点,在近年来取得了重大的研究进展,有望取代C d系量子点在各领域的应用㊂通过对国内外最新研究成果进行总结,概述了A g I n S2量子点的研究进展,讨论了其存在的问题并对今后的研究进行了展望㊂关键词:㊀A g I n S2;半导体;量子点;研究进展中图分类号:㊀T B34文献标识码:A D O I:10.3969/j.i s s n.1001-9731.2014.04.0021㊀引㊀言近日C E S展出了应用T r i l u m i n o s清晰丽彩技术的高清电视,该产品得益于量子点的优异光电性能,可使电视机的色域扩展50%,显色更为高清炫彩亮丽㊂索尼公司声称将购买Q D V i s i o n公司提供的量子点并将量子点应用在其最新的平板电视产品中㊂同时,3M 公司将与N a n o s y s公司合作将量子点应用于L C D产品[1]㊂这表明对量子点的研究已进入空前白热化,其在光电领域的应用研究更是当前科研工作者聚焦的中心[2]㊂然而,目前取得主要研究进展所用的量子点为二元C d S e㊁P b S等[1-7],其含有毒性重金属C d㊁P b等元素,不符合当前对环保㊁环境友好型材料的战略要求,限制了其在众多领域的应用㊂新型三元Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体量子点不仅具备了量子点所具有的优异性能,同时以其低毒环保的优点,有望取代C d系量子点在各领域的应用[8]㊂本文概述了Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体A g I n S2 (A I S)系量子点的研究进展,讨论了其存在的问题并对今后的研究进行了展望㊂2㊀量子点概述量子点(q u a n t u md o t s,Q D s),又称为半导体纳米晶,是一种由几个原子组成的准零维纳米结构,半径小于或接近于体材料的激子玻尔半径㊂其小尺寸使得准连续的能带演变为类似于分子的分立能级结构,表现出强的量子限域效应,使材料的光学㊁电学等性质可调谐,从而具有一系列新异的光电性能㊂从1981年量子点的发现,到现在短短30多年的时间里,量子点从其制备到应用取得了飞速发展㊂在半导体量子点表现出众多可观的性质中,其独特的光学性能(发光性质尺寸可调㊁斯托克斯位移大㊁发光效率高㊁发光稳定性好),更是成为近年来研究的焦点,并取得了重大进展[2]㊂尤其是二元C d S e㊁P b S等量子点,已广泛应用在L C D[1]㊁L E D[2-3]㊁生物[4]㊁太阳能电池[5]㊁光催化[6]㊁非线性器件[7]等领域㊂然而,重金属C d㊁P b等元素不环保且具有很大的毒性,大大限制了它的应用㊂因此,人们将目光转向了不含重金属元素的低毒三元Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族体系量子点材料A I S㊁C u I n S2(C I S)等,这种类型的量子点不仅具备了量子点所具有的优异性能,同时以其低毒环保的优点,有望取代C d系量子点在各领域的应用[8]㊂3㊀Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族量子点Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族材料,多为黄铜矿结构的直接窄带隙半导体,是一类由Ⅰ族(C u㊁A g等),Ⅲ族(G a㊁I n等),Ⅵ族(S㊁S e等)元素组成的材料(图1)㊂图1㊀Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物的黄铜矿结构示意图及其带隙[8]F i g1S c h e m a t i c d i a g r a mo f t h e c h a l c o p y r i t e s t r u c t u r ea n das u mm a r y o ft h eb a n d g a p so fⅠ-Ⅲ-Ⅵc o m p o u nd s[8]与目前研究较为成熟的Ⅱ-Ⅵ族㊁Ⅳ-Ⅵ族量子点相比,Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体纳米晶不含C d和P b等重金属元素,其毒性小,且制备合成的可变因素更为丰富㊂90040谢翠萍等:A g I n S2量子点研究进展∗基金项目:国家自然科学基金资助项目(51272059);浙江省重点科技创新团队资助项目(2009R50010);温州市科技资助项目(G2*******)收到初稿日期:2013-04-19收到修改稿日期:2013-07-03通讯作者:向卫东,E-m a i l:x i a n g w e i d o n g001@126.c o m 作者简介:谢翠萍㊀(1989-),女,福建龙岩人,在读硕士,师承向卫东教授,从事半导体量子点发光材料研究㊂通过尺寸调节㊁组分调节㊁表面包裹等途径可改善量子点的光电性能,实现对高质量Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族量子点的可控制备,在生物标记[9]㊁L E D[10]㊁太阳能电池[11]㊁非线性器件[12]等领域表现出巨大的应用前景㊂图2㊀合成高效荧光Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体量子点的3种方法(尺寸调节㊁组分调控及表面包覆)[8]F i g2S c h e m a t i cd i a g r a m so f s t r a t e g i e s(s i z e t u n i n g,c o m p o s i t i o nt u n i n g,a n ds u r f a c et u n i n g)t h a ta p p l i e d t o s y n t h e s i z e t h e h i g h l y l u m i n e s c e n tⅠ-Ⅲ-ⅥN C s[8]相比于同为Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族的C I S量子点,A I S量子点的研究还相对较少㊂然而A g+具有较高的反应活性,可在较低的温度下合成,且近年来发展迅速,合成的单核A I S量子效率(Q Y s)高达70%[13],远远超过单核C I S的报道值(<20%)㊂因此对其研究很有意义㊂4㊀A g I n S2量子点Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族A I S作为直接带隙的三元硫属化合物,跃迁过程不需要声子的参与,具有较高的发光效率㊂在低温时形成四方相的黄铜矿结构,带隙为1.87e V;高温时形成正交相结构,其带隙约2.03e V,体材料的激子波尔半径约为5.5n m[14]㊂A g+具有较高的反应活性,在低温下可通过改变前驱体比例㊁反应温度㊁活性剂用量㊁掺杂形成固溶体或核壳结构等制备得到粒子半径<5.5n m,具有不同结构㊁可见光谱区颜色亮度可调的高效荧光A I S系量子点[15]㊂4.1㊀A g I n S2量子点的制备与二元半导体相比,A I S量子点作为三元半导体材料,其合成制备的可变因素更为丰富㊂由于A g+和I n3+的反应活性存在很大差异,其与S之间形成的键能不一,易产生缺陷,而缺陷对量子点的发光性能有重要的影响㊂因此,通过控制不同的组分可影响所得量子点的发光性能[13]㊂同时,由于A I S量子点尺寸仅为几纳米,表现出强的量子限域效应使得其具备尺寸可调谐的光学性质,但同时使其具有很高的比表面积,表面存在大量的悬空键和缺陷成为载流子的非辐射跃迁通道,降低了荧光量子效率㊂其中很重要的改善措施是在量子点表面包裹另一种半导体材料形成核壳结构,壳结构在发光核及外部环境之间提供一个物理屏障,降低了核纳米晶的敏感性,从而大幅度提高Q Y s[15-16]㊂因此,如何有效平衡两种阳离子之间的反应活性,采用适量的表面包覆剂㊁表面活性剂㊁掺杂形成核壳结构等,控制形成缺陷少㊁粒径均一㊁结晶性能好且高效荧光的A I S系量子点成为该领域研究的热点和难点[15]㊂目前,研究者普遍通过掺杂Z n(Z n S),形成Z n-A g-I n-S(Z A I S)固溶体或核壳结构A I S-Z n S量子点以提高其发光性能,得到可见光谱区内各色可调的量子点[17-18]㊂近年来,A I S量子点的制备取得了长足发展㊂当前制备高质量的有机相A I S系量子点主要采用单一前驱体热解法和热注入法㊂4.1.1㊀单一前驱体热解法以日本名古屋大学T.T o r i m o t研究小组为代表,采用单一前驱体热解法[13,18]:将含A g㊁I n㊁S的各前驱体合成为单一的前驱体A g x I n(1-x)[S2C N (C2H5)2](3-2x)或引入Z n,通过控制前驱体比例(改变x值),在一定温度下分解得到具有不同荧光性能的A I S或A I S-Z n S量子点㊂该研究小组采用此法制备A I S系量子点,探讨其发光机理,并研究其在生物领域[19]㊁太阳能电池[20]㊁光催化[21]等领域[22]的应用,在A I S量子点的研究领域取得了重大进展㊂图3㊀不同Z n掺杂量所得A I S-Z n SQ D s的吸收及发射谱[18]F i g3A b sa n dP L o fA I S-Z n S Q D sa td i f f e r e n tZ nc o n t e n t s[18]该组报道了Q Y s分别为70%的单核A I S量子点[13]及80%的A I S-Z n S量子点[23],均为目前文献报道的单核A I S及掺杂型A I S-Z n S量子点Q Y s的最高值㊂对三元A I S量子点的研究表明,组分㊁配体等对量子点的发光性能有很大的影响㊂适当的A g空位可作为施主-受主对复合发光的俘获中心,改善量子点的荧光性能㊂研究发现,量子点带隙的变化不仅与尺寸有关,还与其电子能级结构的变化有关[13]㊂A I S量子010402014年第4期(45)卷点发光谱半高宽(>120n m),斯托克斯位移大(>200 m e V),P L衰减时间长(>100n s),表明其光致发光并非是带边发射而是源于施主-受主对的复合[13-14]㊂在掺杂型A I S-Z n S制备中,通过改变x值,所得样品的发光由红色变为绿色[18]㊂单一前驱体热解法制备高质量A I S系量子点已取得重大进展,然而其制备比较复杂,工艺要求高㊂相比于单一前驱体热解法,热注入法工艺简单㊁合成时间短,在近年来也取得了很大进展㊂4.1.2㊀热注入法1993年,M.B a w e n d i等[24]通过有机金属化合物在高温的分解合成了量子点,至今这种方法仍常用于合成量子点㊂2009年R.X i e等[25]采用硬脂酸铟㊁硝酸银和正十二烷基硫醇,在低温下注入溶有S粉的溶液,得到2~10n m的A I S量子点,发光峰在570~ 720n m,最高量子效率为8%㊂在此基础上,采用热注入法制备A I S系量子点取得了快速的发展㊂2011年,B.M a o等[26]采用热注入法制备了A I S 量子点㊂研究表明,其P L发光来源于陷阱中的不同能量,较易形成的本征缺陷作为深陷阱的施主-受主对,并决定着体系的发光性能㊂文章首次采用飞秒级时间分辨瞬态吸收光谱表征了A I S量子点激子态的长时间存在,表明其在光催化㊁光电领域的潜在应用㊂然而所得A I S量子点的Q Y s较低(<10%),为改善A I S量子点的荧光性能,该小组通过掺杂Z n,所得A I S-Z n S量子点Q Y s达31.7%[27]㊂X.T a n g等[17,28]通过掺杂Z n得到Q Y s最高达41%的A I S-Z n S量子点㊂为进一步改善A I S量子点的荧光性能,J.C h a n g 等[15]系统研究了各因素对量子点性能的影响,通过控制前驱体比例㊁反应温度㊁包覆剂等制备了一系列A I S 及A I S-Z n S量子点,所得单核A I S量子点的量子效率最高为22%㊁A I S-Z n S量子点量子效率高达60%㊂文章首次报道了A I S量子点的激子吸收峰,并将所得量子点用于生物荧光标记㊂为系统研究不同因素对A I S纳米颗粒的晶体结构等的影响[29],Y.D o等[30]采用热注入法通过控制反应条件制备得到了立方相A g I n5S8㊁正交及四方相A I S量子点㊂文章首次表征验证了立方相A g I n5S8的生成,用Z n S对其包裹后荧光亮度增强,所得A g-I n5S8-Z n S量子效率最高为61.3%,并进一步将其用于L E D中㊂5㊀A g I n S2量子点的应用研究高质量A I S量子点的可控制备,为其在实际中的应用奠定了坚实的基础,在生物领域㊁太阳能电池㊁L E D㊁非线性器件㊁光催化等方面表现出巨大的应用前景㊂5.1㊀在生物领域的应用A I S量子点发光亮度高(Q Y s可达80%),发光谱在可见到近红外区域可调,激发谱宽且连续,荧光寿命长(>100n s),将其应用在生物领域作为细胞荧光标记㊁生物探针,与传统染料相比具有不可比拟的优势,可用于长时间控制和跟踪细胞内部分子运动过程[31]㊂目前A I S量子点在该领域的应用越来越受到人们的青睐,对A I S量子点的应用研究主要集中在此[8,15,17,32]㊂然而目前高质量A I S量子点大多在有机介质中合成,表面被油酸㊁油胺等有机物包裹,与生物机体不相容,需对其表面进行水相改性后才能在生物领域得以应用㊂J.C h a n g等[15]采用有机物对Q Y s为60%的油溶性A I S-Z n S核壳结构量子点表面进行包覆后用于标记癌细胞(H e p G2)㊂然而,经表面修饰后量子点的发光明显减弱[17],因此直接合成高效荧光的水溶性量子点显得很有意义[33]㊂M.R e g u l a c i o等[34]采用P A A及MA A作为稳定剂在水溶液中成功制备得到了Q Y s为20%的水溶性A I S-Z n S量子点,并将其用于细胞标记㊂D.D e n g等[35]使用谷胱甘肽(G S H)作为稳定剂,合成了水相Z A I S量子点,荧光Q Y s为15%~30%,并用于人体癌细胞M C F-7的标记㊂此外,T.T o r i m o t o研究小组[19]采用M P A辅助合成了水溶性A I S-Z n S量子点,并结合氧化还原酶的作用开发了一种新型的葡萄糖化学传感器㊂G.G a u r 等[36]在水溶液中将A I S/Z n S量子点表面进行配体交换,得到水溶性量子点并将其固定在纳米结构的多孔S i薄膜内作为光学生物传感器㊂5.2㊀在太阳能电池中的应用半导体纳米晶被认为是高效率㊁低成本太阳能电池材料的候选者㊂采用涂膜技术制备高效率电池可望实现太阳能电池的低成本化㊂Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物,大多为直接窄带隙半导体材料,与太阳光谱匹配,且吸光系数大,是性能优异的太阳能电池光吸收层材料,基于此类材料(C u I n G a S e2)的薄膜太阳能电池的转换效率已接近20%[37]㊂A I S体材料的带隙宽在1.87~2.03 e V,在可见光至近红外区域内吸收系数高(>104 c m-1),将其用于纳米晶薄膜太阳能电池具有很大的前景[38]㊂2012年,P e n g等[39]使用热注入法制备A I S纳米晶,通过旋涂法制备成膜之后用作太阳能电池的吸收层㊂在AM1.5条件下转换效率为0.5%T㊂T o r i m o-t o研究小组将Z n S-A I S量子点用于制备太阳能电池,在AM1.5下测试得到光电转换效率为0.72%[20]㊂虽然目前采用A I S系量子点制备得到的薄膜太阳能电池光电转换效率较低,但在制备高质量A I S量子点的前提下,对其在太阳能电池薄膜中的制备工艺及光电转换机理进行深入研究,有望提高其效率㊂5.3㊀在L E D中的应用量子点在L E D中的应用为其在光电器件L C D等的应用提供基础[1-2],主要有两种实现形式:一是采用其光致发光性能,在G a N基L E D中作为光转换层㊂11040谢翠萍等:A g I n S2量子点研究进展由于现阶段制造高显色指数㊁低色温㊁大功率白光L E D 仍是商品化G a N 基白光L E D 发展的总体趋势㊂红色荧光粉可显著影响白光L E D 的显色指数㊁色温等,然而目前红色荧光粉的性能与蓝㊁绿色荧光粉无法相提并论,这也是白光L E D 发展的瓶颈所在[40-41]㊂由于A I S 系量子点可有效吸收G a N 芯片发出的蓝光,发射出波长在可见光范围内精确可调的各色光㊂因此,将A I S 系量子点应用在G a N 基白光L E D 上可有效改善G a N 基L E D 的性能㊂Y.D o 等[30]将A g-I n 5S 8-Z n S 量子点溶液与硅胶(O E -6630A ,B )混合后涂覆在蓝光L E D 芯片上,进一步得到白光L E D ㊂在60m A 电流下测试所得器件的光电参数:光效为53l m /W ,显色指数为74,对应色温3700K ,表明A I S 系量子点在白光L E D 中显示出巨大的应用前景㊂图4㊀A I S -Z n SQ D s 溶液用于H e pG 2细胞的标记共聚焦图像[15]F i g 4C o n f o c a l i m a g e s o fH e pG 2c e l l s s t a i n e dw i t hs o l u t i o no fA I S -Z n SQ D s [15]㊀㊀二是采用其电致发光性能,将其用于量子点发光二极管(Q D -L E D )中㊂Q D -L E D 具有与有机发光二极管(O L E D )类似的器件结构和可溶液加工的特点,其发光层由半导体量子点溶液旋涂制成㊂因此Q D -L E D 不仅具有制备过程简单㊁成本低㊁可制成柔性器件等优点,同时还表现出量子点的优异发光性能,如发光尺寸可调㊁发光稳定性高等㊂Q D -L E D 在近年来取得了飞速发展[2],其外量子效率从低于0.1%[42]飞跃到18%[43]㊂同时,K w a k 等[44]报道了亮度为218800c d/m 2的绿光Q D -L E D ,刷新了Q D -L E D 亮度的报道值㊂210402014年第4期(45)卷Q D-L E D以其优异的性能,在能量转换㊁薄膜显示器和固态照明方面有着巨大的潜力[1-2,45]㊂图5㊀A g I n5S8-Z n S量子点用于白光L E D的色温㊁显色指数和色坐标与测试电流的关系图[30]F i g5C C T,C R I a n dC I Ec o l o rc o o r d i n a t e d s f o rA g-I n5S8-Z n Sb a s e d W-L E D a saf u n c t i o no ft h ea p p l i e d c u r r e n t[30]图6㊀C u Z n I n S/Z n S Q D-L E D结构图㊁色坐标及色温[46]F i g6S t r u c t u r e a n d c o l o r c o o r d i n a t e s o f C u Z n I n S/Z n SQ D-L E D[46]然而Q D-L E D也存在一些问题有待进一步研究[2],例如:(1)主要使用C d系量子点;(2)其发光机理尚不明确;(3)在溶液中发光性能良好的量子点应用于Q D-L E D器件中时,其发光猝灭严重;(4)目前Q D-L E D的性能还远低于商品化的G a N基L E D等㊂新型Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族C I S㊁A I S系量子点不仅具备了量子点所具有的优异性能,同时以其低毒环保的优点,近年来在Q D-L E D中取得了重大研究进展,尤其是C I S系量子点[2,8,46]㊂而截止至目前还尚未有A I S量子点在Q D-L E D中的相关报道㊂因此,对A I S量子点电致发光性能的研究及在Q D-L E D中的应用非常有意义㊂5.4㊀在非线性器件中的应用半导体量子点表现出很强的尺寸效应及量子限域效应,使其具有比体材料明显增强的三阶非线性光学性能,在光信息存储及光通讯快速开关器件上显示出广泛的应用前景[47-48]㊂研究表明Ⅱ-Ⅵ族C d S e㊁C d T e 等纳米微粒具有增强的三阶非线性效应和快速响应等特征[49]㊂Ⅳ-Ⅵ族P b S量子点的三阶非线性研究已取得重大进展[50]㊂对C I S量子点非线性的研究也取得了一定的进展[12,51-52]㊂相对而言,A I S系量子点的三阶非线性研究还很少㊂L.T i a n等[53]利用飞秒脉冲激光Z扫描技术(780n m,220f s)测量所得A I S纳米颗粒的非线性光学性质,极化率为1.1ˑ10-8e s u,表明其在非线性光学领域的潜在应用㊂图7㊀A I S纳米颗粒的Z-s c a n曲线[53]F i g7O p e n-a n d c l o s e d-a p e r t u r eZ-s c a n r e s u l t s o fA I SN C s[53]5.5㊀在光催化领域的应用氢能源作为一种洁净的可再生高效能源,被认为是未来最有希望的能源之一㊂在太阳光的照射下采用光催化剂将水直接分解成H2和O2,引起了人们的广泛关注㊂目前已研究开发了一系列响应紫外光的催化剂,如宽带隙的T i O2[54]㊁N a T a O3等[55],然而太阳光谱中仅有5%左右的紫外线,因此开发带隙窄㊁可被可31040谢翠萍等:A g I n S2量子点研究进展见光有效激发的高活性光催化剂是提高产氢速率的有效途径㊂C d S具有窄的带隙,可有效吸收可见光,可将其作为光催化剂用于分解水产氢[56]㊂T.I s s e i等研究了多种可见光活性光催化剂,如N i2+等掺杂的Z n S,P t 负载的(A g I n)x Z n y S2㊁(C u I n)x Z n y S2固溶体,在此基础上,研究了R u负载的共掺杂Z n S-C I S-A I S固溶体的可见光催化活性,在440,480,520n m单色光的照射下,平均Q Y s为7.4%[57]㊂T.T o r i m o t o研究小组[21]将S i O2包覆的A u纳米颗粒与Z A I S量子点进行复合,所得复合纳米颗粒表现出A u等离子体增强的光致发光性能及可见光催化活性㊂图8㊀Z A I S与A u@S i O2复合纳米颗粒的生长示意图[21]F i g8S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n so fZ A I Sa n dA u@S i O2n a n o p a r t i c l e s[21]6㊀结㊀语新型Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体A I S量子点以其优异的性能,引起了人们的极大兴趣㊂近年来从制备到应用取得了重大进展,可实现发光亮度高㊁发光谱精确可调㊁发光性能稳定的高质量A I S系量子点的可控制备,在生物荧光标记㊁太阳能电池㊁L E D㊁非线性器件㊁可见光催化领域中表现出巨大的应用前景㊂然而对A I S量子点的研究也还存在许多问题有待进一步解决㊂例如:(1)相比于国外报道,国内对A I S系量子点的研究与报道还很少[29,58-59],采用热注入法合成及研究更是鲜有;(2)虽然目前采用快速便捷㊁低能耗的热注入法可获得高质量的A I S系量子点,然而与单一前驱体热解法相比,其荧光亮度还有很大的提高空间,尤其是三元A I S量子点;(3)目前对A I S量子点的研究主要集中在其可控制备㊁光学性能的研究及在生物领域的应用,对其在太阳能电池㊁L E D 等领域的应用,有待进一步的研究;(4)对A I S量子点电致发光性能的研究及在Q D-L E D中的应用还鲜有相关报道;(5)对A I S量子点的三阶非线性的研究也很少;(6)高效荧光A I S量子点通常由有机分子稳定剂包覆,一旦这些稳定剂遭到破坏就很容易影响量子点的性能,限制了A I S量子点在实际中的应用㊂因此,采用热注入法制备高效荧光的A I S系量子点,尤其是对掺杂型A I S-Z n S量子点的制备及表征,并对其光电性能进行研究,有望取得重要进展㊂同时可将A I S量子点与体材料进行复合制备得到复合材料,将其优异发光的性能以体材料的形式付诸实际应用㊂此外,最近课题组采用热注入法实现了C I S[60]㊁A I S系量子点的可控制备㊂并将Q Y s为60%的A I S 量子点溶液用于制备Q D-L E D器件,得到了A I S量子点的电致发光谱(图9)㊂然而相对于溶液中的高效荧光,A I S量子点的电致发光谱非常弱㊂因此,下一步工作的重点是在制备高效荧光A I S系量子点的基础上探讨其在Q D-L E D中的发光机理,以提高其电致发光性能㊂图9㊀A g I n S2量子点用于Q D-L E D器件的电致发光谱F i g9T h eE Ls p e c t r a o fA g I n S2Q D s i n t h eQ D-L E Dd e v i c e参考文献:[1]㊀B o u r z a c K.Q u a n t u m d o t s g oo nd i s p l a y[J].N a t u r e,2013,493(7432):283-283.[2]㊀S h i r a s a k iY,S u p r a n GJ,B a w e n d iM G,e ta l.E m e r-g e n c eo fc o l l o i d a l q u a n t u m-d o tl i g h t-e m i t t i n g t e c h n o l o-g i e s[J].N a t u r eP h o t o n i c s,2013,7(1):13-23.[3]㊀T a l a p i nD V,L e e JS,K o v a l e n k o M V,e t a l.P r o s p e c t so f c o l l o i d a l n a n o c r y s t a l s f o r e l e c t r o n i ca n do 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[14]㊀H a m a n a k aY,O g a w aT,T s u z u k iM a s a k a z u.P h o t o l u-m i n e s c e n c e p r o p e r t i e s a n d i t so r i g i no fA g I n S2q u a n t u md o t sw i t hc h a l c o p y r i t es t r u c t u r e[J].JP h y sC he m C,2011,115(5):1786-1792.[15]㊀C h a n g J,W a n g G,C h e n g C,e t a l.S t r a t e g i e s f o r p h o t o-l u m i n e s c e n c e e n h a n c e m e n to fA g I n S2q u a n t u m d o t sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n a s b i o i m a g i n g p r o b e s[J].J M a t e rC h e m,2012,22(21):10609-10618.[16]㊀C h a u d h u r iR G,P a r i aS.C o r e/s h e l l n a n o p a r t i c l e s:c l a s-s e s,p r o p e r t i e s,s y n t h e s i s m e c h a n i s m s,c h a r a c t e r i z a-t i o n,a n da p p l i c a t i o n s[J].C h e m R e v,2012,112(4):2373-2433.[17]㊀T a n g X,H o W B A,X u eJ M.S y n t h e s i so fZ n-d o p e dA g I n S2n a n o c r y s t a l s a n d t h e i rf l u o r e s c e n c e p r o p e r t i e s[J].JP h y sC h e m C,2012,116(17):9769-9773. 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c ha d v a n c e s610402014年第4期(45)卷。
量子点中的边界效应
量子点中的边界效应
庞海;沈尧
【期刊名称】《南开大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2006(039)005
【摘要】首先拓展了标准量子统计热力学方法,获得了带有边界修正的二维和三维费米气体的统计热力学量的低温高密展开式.利用所得到的普遍结果讨论了影响量子点系统边界效应的几个主要因素,并简要计算了实际低温量子点系统的边界效应.结论可作为量子点系统热力学性质研究的理论依据.
【总页数】4页(P18-21)
【作者】庞海;沈尧
【作者单位】天津大学,物理系,天津,300072;天津大学,物理系,天津,300072
【正文语种】中文
【中图分类】O413.3
【相关文献】
1.量子尺寸效应对InGaN/GaN量子点中的类氢杂质态的影响 [J], 蒋逢春;苏玉玲;李俊玉
2.氢化杂质和厚度效应对高斯势量子点中二能级体系量子跃迁的影响 [J], 白旭芳;赵玉伟;尹洪武;额尔敦朝鲁
3.利用B-splines特性计算PbS量子点中的激子基态能量的量子尺寸效应 [J], 惠萍
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InGaAsGaAs链状量子点的光学性质研究的开题报告
InGaAsGaAs链状量子点的光学性质研究的开题报告开题报告：InGaAs/GaAs 链状量子点的光学性质研究第一部分：选题背景和研究意义随着纳米技术的飞速发展，半导体量子点的研究和应用越来越受到人们的关注。
作为半导体纳米结构的一个重要类别，量子点具有特殊的物理和化学性质，如尺寸量子限制、量子限制效应和量子禁闭效应等，且具有较宽的带隙、高的荧光量子产率和可调节的荧光发射波长等优点，是理论研究和工业应用的热点之一。
在半导体量子点中，链状量子点因其结构独特、具有可延展性和组装性等特点，是研究的重点之一。
由于链状量子点中存在很多自由表面，所以其光学性质受到许多因素的影响，如表面缺陷、化学物种、传输通道等。
因此，对InGaAs/GaAs链状量子点的光学性质进行深入研究，对于了解其内部光子学、电子学性质以及其在纳米光电子学、光学通讯、太阳能电池等方面的应用具有重要意义。
第二部分：研究目标和内容本文旨在探究InGaAs/GaAs链状量子点的光学性质，并寻找其在纳米光电子学、光学通讯、太阳能电池等方面的潜在应用。
具体研究内容包括：1. 制备InGaAs/GaAs链状量子点。
采用金属有机气相外延(MOVPE)技术，在GaAs基片上生长InGaAs/GaAs链状量子点结构，并进行表征。
2. 研究InGaAs/GaAs链状量子点的光学特性。
通过PL、TEM、XRD 等表征技术对其光学性质进行表征，分析其荧光特性、荧光寿命、量子效率等参数。
3. 探讨影响InGaAs/GaAs链状量子点光学性质的因素。
研究表面缺陷、化学物种、传输通道以及电子结构等因素对光学性质的影响。
4. 分析InGaAs/GaAs链状量子点的应用前景。
探讨其在纳米光电子学、光学通讯、太阳能电池等方面的潜在应用。
第三部分：研究方法1. 实验条件及仪器设备本研究采用金属有机气相外延技术制备InGaAs/GaAs链状量子点，并采用PL、TEM、XRD等表征技术对其进行表征。
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1 综述1.1 InGaN材料特性铟镓氮（InGaN）材料是第三代半导体材料，它主要应用于光电器件以及高温、高频和大功率器件。
氮化铟（InN）的禁带宽度为0.7eV，氮化镓（GaN）的禁带宽度为3.4eV，这就意味着通过调节In x Ga1-x N三元合金的In组分，可使其禁带宽度从0.7eV到3.4eV连续可调，其对应的吸收光谱的波长从紫外部分(365nm)可以一直延伸到近红外部分(1770nm)，几乎完整地覆盖了整个太阳光谱，因此InGaN材料成为了研究的热点。
除了波长范围与太阳光谱匹配良好外，InGaN与常规的Si、Ge、GaAs等太阳电池材料相比，还有许多优点：第一，它是直接带隙材料，其吸收系数比Si、GaAs高1个到2个数量级，这就意味着InGaN太阳电池可以做的更薄、更轻，从而节约成本，特别是应用于航天的太阳电池，减轻重量非常重要；第二，InN和GaN 的电子迁移率都较高，有利于减小复合，而提高太阳电池的短路电流；第三，InGaN的抗辐射能力比Si、GaAs等太阳电池材料强，更适合应用于强辐射环境；第四，InGaN特别适合制作多结串联太阳电池，由于调节In组分可连续改变In x Ga1-x N的带隙宽度，因此在同一生长设备中，通过改变In 组分就可生长成多结In x Ga1-x N太阳电池结构，比目前用不同的半导体材料制备多结太阳电池更为方便。
此外，InGaN材料还有较高的热稳定性，无毒，抗化学腐蚀性强，不容易被化学液腐蚀，这些对光电器件的制作也是很有利的。
虽然InGaN材料有这么多的优点，但是目前制备高质量InGaN薄膜，尤其是高In组分的InGaN薄膜还很困难，因而限制了InGaN材料的应用，主要原因如下：[1]首先，材料的外延过程中，缺少与InGaN材料晶格匹配的衬底。
通常我们是用与InGaN 晶格常数最为接近的GaN薄膜作为衬底。
但是，随着In组分的变大，InGaN与GaN之间的晶格失配变大，而InN与GaN之间的晶格失配度高达11%。
当在GaN衬底上异质外延生长InGaN时，晶格失配导致产生较大的失配位错和高密度缺陷，甚至导致表面不平整。
对于In组分越高的InGaN外延材料，这种趋势越明显。
其次，InN 的平衡蒸汽压非常高，使得InN的分解温度较低，因此，高In组分的InGaN 必须在低温下生长，一般用MOCVD生长InGaN的温度大概在650-800℃之间。
通常较低的生长温度会抑制表面原子的迁移，从而很难生长出平整的高质量的InGaN薄膜。
再次，InN与GaN的互溶隙比较大，造成InGaN中容易产生相分离现象，产生相分离后，使得实际的InGaN材料是包含两种或者多种不同In组分的InGaN材料的混合物，导致InGaN材料的带隙连续可控和生长非常困难。
最后，由于氮空位或其他缺陷的影响，InGaN薄膜的本底载流子浓度高达1017~1018cm-3。
因此很难获得高质量的高空穴浓度的低电阻的P型层。
1.2量子点1.2.1量子点的定义量子点，又称纳米颗粒，是指颗粒尺寸在1-1000nm之间的超微粒子，是由103-105个原子结合起来的“人造原子”。
量子点作为零维纳米材料，其电子运动在三个维度上都受到尺寸的限制，三个方向上的电子态都是量子化的，表现出比一维量子线、二维量子阱更强的量子限域效应。
1.2.2量子点的基本特性量子点所具有的特殊属性，主要源于它特殊的几何尺寸。
我们知道当体系的尺寸与物理特征量相比拟时，量子效应会十分显著，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性：量子尺寸效应、量子隧穿效应、量子干涉效应、库仑阻塞效应、介电受限效应、非线性光学效应等等。
（1）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到某一临界尺寸时，如当量子点的尺寸与电子的德布罗意波长、电子的非弹性散射平均自由程或体相激子的波尔半径相当时，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，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，即吸收光光谱峰和发光光谱峰向短波方向移动。
也就是说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，量子点的发光强度也就进一步增加。
（2）小尺寸效应。
当超细微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，晶体周期性边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。
例如，光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移。
（3）量子隧穿效应。
当势垒层较薄时，电子可以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的距离很小，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。
（4）库仑阻塞效应。
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（称为库仑能）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。
这就是库仑阻塞效应。
（5）介电受限效应。
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，由于量子点材料和基体材料的介电性质不同引起量子点电子结构变化，因而量子点中的电子、空穴和激子等载流子受到影响，这种效应称为介电受限效应。
其中量子点的尺寸是晶格常数的几倍时，量子点的介电性质与其相应的体材料的介电性质差别很大。
介电受限效应既可以使激子的吸收峰蓝移，也可以使激子的吸收峰红移，并且使激子的束缚能变大。
量子点的介电常数随其尺寸的减小而减小，这种效应称为量子点介电常数的尺寸效应。
（6）量子限制斯塔克效应。
众所周知，材料中的正、负电荷中心不重合的现象称为极化现象，极化现象导致材料在宏观的平衡状态下总的极化电荷不为零，材料表现出极性；极化又分为自发极化和压电极化。
极化会产生内建电场，对于半导体体材料来说，内建电场或外电场都会使带间跃迁能量减小(光谱红移)和电子-空穴对的分离(激子跃迁峰的电场淬灭)。
对于量子阱，一个垂直方向上的电场仍旧会导致带间跃迁能量的减小，但由于量子限制效应，电场导致的电子和空穴波函数的改变没有体材料中的大，所以带间跃迁能量的减小相对较小，电子-空穴对需要在很强的电场下才会分离，称为量子限制斯塔克效应。
一般来说，量子限制斯塔克效应作用越强，光谱红移就越大，激子就越难淬灭。
理论计算表明，对于三维限制的量子点来说，同样存在这种作用。
2 InGaN量子点的制备方法目前InGaN量子点材料常用制备方法主要有两种：一是选择区域外延生长，即先通过掩膜、刻蚀，然后再选择性生长；另一类是自组装生长，即先二维生长，再转变为三维量子点生长。
2.1选择区域外延生长在早期的研究中,人们多数采用选择区域外延的方式制备InGaN量子点材料。
由于这种工艺一般会采用干式或湿式蚀刻工艺，在衬底表面上先制备出掩模图形，或采用强激光束或电子束直接辐照生长表面。
因此，不可避免地会对衬底表面或外延膜材料造成工艺损伤，以致引入更多的晶格缺陷。
这些缺陷会成为载流子俘获陷阱及非辐射复合发光中心。
同时，由于所制备得到的InGaN量子点阵列的密度小、尺寸大，难以获得预期的量子限制效应。
选择区域外延生长比较有代表性的研究工作有：图2-1 选择区域外延生长流程图Guangyu Liu等人[2]通过上图（图2-1）的工艺生长出了密度为8⨯1010cm-2的InGaN量子点。
Koichi Tachibana等人[3]用MOCVD和光刻技术制备出了InGaN量子点。
具体步骤为：首先，把MOCVD反应室温度调到480℃，在蓝宝石衬底上先生长25 nm厚的GaN成核层，再把温度升高到1071 ℃，继续生长2μm厚的GaN薄膜；其次，再降温取出GaN薄膜，在薄膜上用溅射的方法生长40 nm厚的SiO2掩膜，然后利用光刻将SiO2掩膜刻蚀成面积为2 ⨯2 μm，间距为4 μm的格子；第三，再次用MOCVD生长GaN，GaN会在无掩膜的格子处优先生长，并呈金字塔型；最后，用MOCVD交替生长InGaN、GaN量子阱和In0.02Ga0.98N的帽层。
进而在金字塔尖上得到了InGaN量子点。
如下图（图2-2）。
图2-2 InGaN量子点示意图Lei Zhang等人[4]先制备InGaN/GaN量子阱，然后用图形掩膜和离子刻蚀得到InGaN量子点，如下图（图2-3）所示。
图2-3 InGaN量子点示意图2.2自组装生长固体表面上，各类薄膜材料的生长大体可以分为三种模式,即层状生长模式、岛状生长模式以及先层状后岛状生长模式(S-K生长模式)。
而各种半导体量子点的自组织生长大都遵从后一种模式。
现有研究表明，若要实现量子点的自组织生长,其必要条件是所生长的材料应与衬底有较大的晶格失配度。
这样在薄膜形成时会首先以层状方式进行生长。
当薄膜厚度超过某一临界值, 即完成所谓的浸润层生长后,其成膜过程便不再是二维的均匀生长,而是呈现非均匀的三维岛状生长。
具有较大晶格失配度的两种材料, 依靠自身的应变能量，可以以S-K模式生长，在衬底表面上形成具有一定结构、形状、尺寸及密度分布的纳米尺度量子点结构。
采用S-K生长模式制备的自组装量子点，应力得到释放，缺陷少，制备步骤简单，并且制备的量子点尺寸小，密度大，易获得预期的量子限制效应。
目前，自组装是生长InGaN量子点的主流方法。
2.2.1 InGaN量子点自组装生长InGaN量子点S-K模式自组织生长过程包括：（1）浸润层的生长。
InGaN首先在GaN上以二维薄膜的形式生长，这个过程同时伴随着InGaN的蒸发。
但由于InGaN的原料源源不断地向反应室供给，反应室中的InGaN 的蒸汽压大于饱和蒸汽压，生长速率大于蒸发速率。
InGaN与GaN存在晶格失配，随着薄膜厚度的增加，应力逐渐增大，应变能不断积累。
（2）形成量子点。
当浸润层达到一定厚度后，那些应力比较大的地方，InGaN不能再以二维模式生长，应力弛豫形成量子点成核中心，InGaN开始以三维岛状的模式生长，进而形成了量子点。