量子点

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定义:是一种微观结构,可以在三个维度上限制载流子。

量子点是一个非常小的结构,例如一个纳米晶体嵌入到另一个半导体材料中,可以在三个维度上限制电子或其他载流子。

载流子限制是一种量子效应。它可以完全改变受限制粒子的态密度。对于理想隔离度的量子点来说,它具有分离的能级,对应的是δ形状的态密度且在δ峰值之间没有量子态。这一行为在原子中很常见,因此,在这一角度可将量子点看做一种人造原子,其能级可以通过改变结构来进行调制,例如,通过控制量子点的尺寸或者材料组分。实际中,常常采用大量的量子点,并且它们的尺寸分布会在一定程度上改变态密度,即引起非各向同性展宽

可以采用半导体材料制作量子点。有时薄的量子阱是采用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)或者金属有机化学气相沉积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD),其厚度可能存在一些涨落。在特定条件下,量子点可以以自组织的方式生长,这样它们可以得到更加一致的尺寸和分布。然后它们就在衬底材料上快速生长。通常金字塔形状的量子点的尺寸在5-20nm;因此,量子点可以看做纳米技术中的一种。它们的密度可达单位平方分米109 个量子点的量级。大多数情况下,一个器件需要同时使用很多的量子点,然而有些量子光学实验只需要单个量子点。

量子点的溶液制备也需要采用一些技术。其中,一些原始的化合物在高温下溶解在有机溶剂中。化合物逐渐转化成单体,后者在溶液中变得过饱和,然后纳米晶体逐渐成核继续生长。得到的胶体溶液可以用来制备层状结构,包含很高密度的量子点。胶体悬浮量子点的主要优势在于成本非常低的制备大量的量子点。这种方法在发光二极管中非常有优势,但是其它应用中也可以采用,例如在投影仪[8]中,其中电激发的量子点可提供像素点的辐射光,无须采用背景发光。

若在图形衬底上生长,则可以控制量子点的位置和大小。


应用

量子点可应用在很多应用中:

  1. 量子点最早的应用是在彩色玻璃上形成漂亮的颜色,例如在教堂的玻璃上。
  2. 量子点可以实现制备的激光二极管具有很低的阈值泵浦功率和低温度灵敏度。
  3. 量子点可用在白光发光二极管(LED)中:它们由蓝光或者近紫外光LED激发,然后辐射绿光和红光(类似于磷的作用),整体得到的是白光。
  4. 在半导体饱和吸收反射镜中(SESAM),量子点作为吸收器,具有很低的饱和影响。这种量子点吸收器可以包含在玻璃基体中。
  5. 量子点可看做高灵敏光电探测器的一部分,并且以后还可以在高效太阳能电池中发挥作用。
  6. 量子编码中,量子点可用作单光子发射器。
  7. 量子点还可以用在量子计算中。
  8. 提到的功能还可以在量子纳米光子学中实现。

目前技术上最重要的应用就是发光二极管激光二极管中。量子点半导体激光器也有望替代一些目前正在用的量子阱激光二极管。


参考文献

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参阅:量子阱