量子點納米光子學及應用

序 前言 第1章 量子點概述 1 1.1 量子阱、量子線和量子點 1 1.2 量子效應 3 1.2.1 量子尺寸效應 3 1.2.2 表面效應 4 1.2.3 宏觀量子隧道效應 5 1.2.4 庫侖阻塞效應 5 1.3 量子點的類型和結構 5 1.3.1 量子點的類型 5 1.3.2 量子點的結構 8 1.4 量子點的應用 11 1.4.1 量子點光電子器件 11 1.4.2 量子點太陽能電池 13 1.4.3 量子點在生命科學中的應用 15 1.4.4 量子點研究的展望 16 參考文獻 17 第2章 量子點納米光子學基礎 19 2.1 光子和電子 19 2.2 激子 21 2.3 傳播和約束 22 2.3.1 自由空間中的傳播 22 2.3.2 光子和電子的約束 23 2.4 隧道效應 26 2.5 周期勢場下的約束：帶隙 28 2.6 納米級能量轉(zhuǎn)移 33 2.6.1 高濃度摻雜時的能量轉(zhuǎn)移 34 2.6.2 瞬逝波 34 2.6.3 熒光共振能量轉(zhuǎn)移 35 參考文獻 36 第3章 量子點的能級結構 37 3.1 量子電子態(tài) 37 3.1.1 勢阱中的粒子 37 3.1.2 球?qū)ΨQ勢阱中的粒子 41 3.1.3 庫侖勢中的電子 45 3.1.4 周期勢中的粒子 46 3.1.5 晶體中的電子 50 3.1.6 準粒子電子、空穴和激子 54 3.2 有效質(zhì)量近似 58 3.2.1 弱約束情形 59 3.2.2 強約束情形 60 3.2.3 中等約束情形 63 3.3 表面極化效應 65 3.4 緊束縛近似 66 3.5 經(jīng)驗贗勢法 67 參考文獻 68 第4章 量子點的制備和表征 70 4.1 量子點制備 71 4.1.1 分子束外延生長 71 4.1.2 金屬有機化學氣相沉積法 73 4.1.3 脈沖激光沉積法 75 4.1.4 納米化學法 76 4.1.5 高溫熔融法 80 4.2 實驗室量子點光纖制備 80 4.2.1 光纖纖芯本底材料的選擇 81 4.2.2 量子點膠體的制備 81 4.2.3 空芯光纖灌裝方法探索 82 4.2.4 量子點玻璃光纖（空氣包層）的制備 85 4.3 量子點的表征 88 4.3.1 X射線 89 4.3.2 電子顯微鏡 90 4.3.3 掃描探針顯微鏡 92 4.3.4 激光粒度儀 93 4.3.5 吸收-輻射光譜 95 4.4 熔融法制備PbSe量子點玻璃 96 4.4.1 實驗制備 96 4.4.2 結果與分析 97 4.4.3 熔融二次熱處理優(yōu)化制備PbSe量子點熒光玻璃 103 4.5 本體聚合法制備PbSe/PMMA量子點光纖材料 109 4.5.1 概述 109 4.5.2 制備 110 4.5.3 結果與分析 111 4.5.4 結論 115 4.6.1 實驗 116 4.6.2 結果與分析 117 4.6.3 結論 123 參考文獻 124 第5章 量子點光譜 126 5.1 量子點的發(fā)光 126 5.1.1 發(fā)光模式 126 5.1.2 俄歇復合 127 5.1.3 量子點光譜的頻移 127 5.2 量子點的吸收、輻射和散射特性 129 5.2.1 吸收 129 5.2.2 輻射 130 5.2.3 散射 132 5.3 躍遷譜線展寬 134 5.3.1 均勻展寬 135 5.3.2 非均勻展寬 137 5.3.3 綜合展寬 138 5.3.4 量子點的粒度分布對熒光輻射譜的影響 139 5.4 躍遷截面 147 5.4.1 截面的概念 147 5.4.2 愛因斯坦系數(shù)和Ladenburg-Fuchtbauer關系 149 5.4.3 輻射截面的Mc Cumber理論 151 5.4.4 截面的確定 154 5.4.5 能級壽命 161 5.5 室溫下正己烷本底中PbSe量子點的熒光壽命 163 5.5.1 實驗材料與表征 164 5.5.2 結果與分析 165 5.5.3 結論 171 5.6 CdSe/ZnS量子點的吸收與折射率色散關系的確定 171 5.6.1 實驗 171 5.6.2 結果與分析 173 5.6.3 結論 179 5.7 PbSe、PbS和CdSe、CdS量子點的比較 179 參考文獻 180 第6章 量子點的溫度特性 183 6.1 量子點PL譜的溫變特性理論 183 6.1.1 量子點PL峰值強度隨溫度的變化 183 6.1.2 量子點PL峰值波長隨溫度的變化 184 6.1.3 量子點PL譜的半高全寬隨溫度的變化 187 6.2 CdSe/ZnS量子點的熱穩(wěn)定性研究 189 6.2.1 實驗和結果 190 6.2.2 實驗和理論的比較與討論 192 6.2.3 小結195 6.3 CdSe/ZnS核/殼量子點薄膜溫度傳感器 196 6.3.1 光路結構 196 6.3.2 溫度敏感元件制作 197 6.3.3 實驗結果及分析 197 6.3.4 小結 202 參考文獻 202 第7章 光纖中的光傳輸 204 7.1 均勻介質(zhì)中的光傳輸 204 7.2 三能級系統(tǒng) 206 7.2.1 三能級模型 206 7.2.2 三能級速率方程 206 7.2.3 小信號增益 208 7.2.4 增益飽和 211 7.2.5 最佳光纖長度 212 7.3 重疊因子 212 7.4 二能級模型 215 7.4.1 二能級近似 215 7.4.2 二能級速率方程 216 7.5 放大的自發(fā)輻射 218 7.5.1 噪聲功率和噪聲帶寬 218 7.5.2 噪聲系數(shù) 219 7.5.3 噪聲功率方程 220 7.6 包含放大自發(fā)輻射的建模 221 7.7 徑向效應 222 7.7.1 速率方程 223 7.7.2 徑向分布函數(shù) 224 7.8 三維情形 225 參考文獻 226 第8章 量子點光纖和光纖放大器 227 8.1 UV膠纖芯本底的CdSe/ZnS量子點光纖的傳光特性 228 8.1.1 實驗 228 8.1.2 UV膠中CdSe/ZnS量子點的吸收譜和輻射譜 229 8.1.3 摻雜光纖對泵浦光的吸收 230 8.1.4 PL峰值強度與摻雜光纖長度和濃度的關系 231 8.1.5 PL峰值波長與摻雜光纖濃度和長度的關系 233 8.1.6 結論 234 8.2 量子點光纖熒光光譜的紅移 234 8.2.1 纖芯基底為甲苯時的PL峰值波長的紅移 234 8.2.2 不同纖芯本底的PL峰值波長的紅移 236 8.2.3 結論 238 8.3 單摻雜PbSe量子點光纖放大器 238 8.3.1 基本工作原理 239 8.3.2 速率方程 240 8.3.3 結果與分析 243 8.3.4 結論和展望 246 8.4 多粒度摻雜PbSe量子點光纖放大器 247 8.4.1 引言 247 8.4.2 能級和疊加譜 247 8.4.3 結果與分析 249 8.4.4 結論 252 8.5 PbSe量子點近紅外寬帶光纖放大器的實驗實現(xiàn) 252 8.5.1 實驗 253 8.5.2 結果與分析 254 8.5.3 結論 261 8.6 理想的量子點光纖放大器 261 8.7 結語與展望 264 參考文獻 266 第9章 量子點光纖激光器 268 9.1 概述 268 9.2 幾個關鍵問題 271 9.2.1 量子點種類的選擇 271 9.2.2 量子點的光學增益和受激輻射閾值 272 9.2.3 泵浦光激勵閾值 273 9.2.4 激射的穩(wěn)定性 274 9.2.5 諧振腔 274 9.3 PbSe量子點光纖激光器的實驗實現(xiàn) 276 9.3.1 激光器的構成 276 9.3.2 實驗過程 276 9.3.3 結果與分析 277 9.3.4 結論 284 9.4 環(huán)形腔PbSe量子點單模光纖激光的數(shù)值模擬 284 9.4.1 粒子數(shù)速率方程、光功率方程及循環(huán)條件 284 9.4.2 重疊因子 286 9.4.3 彎曲損耗 286 9.4.4 數(shù)值模擬 287 9.4.5 結論 291 9.5 結語與展望 292 參考文獻 294 第10章 納米光子學若干熱點及進展 296 10.1 量子點太陽能電池 296 10.1.1 太陽能電池的基本工作原理 297 10.1.2 PIN結構的量子點太陽能電池 300 10.1.3 量子點敏化太陽能電池 304 10.1.4 量子點多激子效應 309 10.1.5 幾個關鍵問題 318 10.1.6 展望 320 10.2 硅量子點 320 10.2.1 硅量子點簡介 320 10.2.2 硅量子點制備 322 10.2.3 硅量子點的生物應用 325 10.2.4 展望 327 10.3 表面等離子激元光子學 327 10.3.1 表面等離子激元的物理機制 327 10.3.2 局域表面等離子激元 329 10.3.3 傳播的表面等離子激元 330 10.3.4 表面增強拉曼散射 333 10.3.5 表面等離子激元的應用及展望 334 10.4 單個等離子激元納米粒子的光學特征 335 10.4.1 電磁理論模型：Mie理論和Gans理論 336 10.4.2 單粒子散射法 338 10.4.3 單粒子消光方法 342 10.4.4 單粒子吸收方法 345 10.4.5 單粒子光譜與電子顯微鏡結合 348 10.4.6 等離子激元的譜線寬 351 10.4.7 小結 355 10.5 表面增強拉曼散射熱點的超分辨成像 355 10.5.1 高分辨率成像的基本原理 356 10.5.2 超分辨SERS熱點成像 358 10.5.3 衍射極限限制的SERS輻射的擬合：超越高斯近似 360 10.5.4 光譜-空間分辨的熱點 363 10.5.5 結論和展望 365 參考文獻 366 附錄1 本書主要物理量符號對照表 373 附錄2 希臘字母符號對照表 377