量子点发光材料综述

量子点发光材料综述

1.量子点简介

1.1量子点的概述

量子点(quantum dot, QD)是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料，而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm[1]。更进一步的规定指出，量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径，其尺寸通常在1-10nm左右[2]。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径，量子点能表现出明显的量子点限域效应，此时载流子在三个向上的运动受势垒约束，这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。量子点中的电子和空穴被限域，使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构[1]。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。

1.2量子点的特性

由于量子点中载流子运动受限，使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构，表现出与对应体材料完全不同的光电特性。

1.2.1 量子尺寸效应

纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制，能量发生量子化，连续能带变为分立的能级结构，带隙展宽，从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化[3]。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明，随着量子点尺寸的缩小，其荧光将会发生蓝移，且尺寸越小效果越显著[4]。

1.2.2 表面效应

纳米颗粒的比表面积为，也就是说量子点比表面积随着颗粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小，拥有极大的比表面积，其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时，会对量子点的光学性质产生极大影响[5]。

1.2.3 量子隧道效应

量子隧道效应是基本的量子现象之一。简单来说，即当微观粒子(例如电子等)能量小于势垒高度时，该微观粒子仍然能越过势垒。当多个量子点形成有序

阵列，载流子共同越过多个势垒时，在宏观上表现为导通状态。因此这种现象又称为宏观量子隧道效应[6][7]。

1.2.4 介电限域效应

上世纪七十年代Keldysh等人首先发现了介电限域效应[8]。该现象可以表示为在不同介质中，因两种不同材料接触界面引起的介电作用变强的现象。与未被介质包裹的量子点相比，被介质包裹的量子点屏蔽效应变弱，带电粒子间库伦作用变大，增加了激子的振子强度和结合能，体现到吸收光谱上就表现为光谱红移。

1.2.5 Stark效应

在量子点上加上外电场时，激子会得到额外的能量，第一吸收峰会发生改变，这种现象称为Stark效应。对量子点而言，所有外加电场均会导致吸收光谱的红移，且红移程度随电场强度的增加而增加[9]。

1.3半导体量子点的光学性质

量子点的发光原理与常规半导体发光原理相近，均是材料中载流子在接受外来能量后，达到激发态，在载流子回复至基态的过程中，会释放能量，这种能量通常以光的形式发射出去。与常规发光材料不同的是，量子点发光材料还具有一下的一些特点。

1.3.1 发射光谱可调节

半导体量子点主要由ⅡB-ⅥA、ⅢA-ⅤA或者ⅣA-ⅥA族元素构成。尺寸、材料不同的量子点发光光谱处于不同的波段区域[10]。如不同尺寸的ZnS量子点发光光谱基本涵盖紫外区，CdSe量子点发光光谱基本涵盖可见光区域，而PbSe 量子点发光光谱基本涵盖红外区，如图1.1所示[11]。

图1.1 常见量子点发光光谱分布区间

即使是同一种量子点材料，其尺寸的不同，其发光光谱也不一样。以CdSe 为例，如图1.2所示，当CdSe颗粒半径从1.35nm增加至2.40nm时，其发射光波长从510nm增加至610nm。

图1.2 不同尺寸CdSe量子点及其发光照片

1.3.2宽的激发光谱和窄的发射光谱

能使量子点达到激发态的光谱围较宽，只要激发光能量高于阈值，即可使量子点激发。且不论激发光的波长为多少，固定材料和尺寸的量子点的发射光谱是固定的，且发射光谱围较窄且对称。

1.3.3 较大的斯托克斯位移

量子点材料发射光谱峰值相对吸收光谱峰值通常会产生红移，发射与吸收光谱峰值的差值被称为斯托克斯位移。相反，则被称为反斯托克斯位移。斯托克斯位移在荧光光谱信号的检测中有广泛应用。量子点的斯托克斯位移较常规材料而言要大。

2.量子点的应用

量子点在生物医学、能源材料等领域都有巨大的应用价值。

2.1 能源领域

量子点制备的初衷即为能源应用。随着工业发展，当今能源需求日益増加，如解决能源危机已经成为当前热口。相较其它面而言，太阳能属于蕴藏量巨大且可再生资源,同时也是环保无污染资源。因此如有效的开发太阳能电池是目前在能源利用面千分重大的课题。目前最常见的珪晶太阳能电池受限于热载流子的浓度，其上限很难超过32%[12]，然而量子点作为窄带隙材料，可以大幅度提高光能利用率，增加太阳能电池的转化效率。量子点太阳能电池的优点是显而易见的，一是量子点拥有较高的载流子迁移率,可以大幅度增加光电转化效率；二是带隙可调节，这不仅可以使激发光谱覆盖太谱，增加光能利用率，还可让量子点在特定环境中工作。量子点在太阳能电池领域有着巨大的潜力与优势。

2.2 发光器材

量子点具有发光波长可调谐，发光线宽窄，发光效率高，光、热及化学稳定性好等优点，经过溶液加工、旋涂或喷墨印刷成膜后集成到电致发光器件(Light- emitting device，LED)中可以作为有效的激子辐射复合中心，是应用于固态照明和全色平板显示的新一代发光材料。量子点LED与传统的荧光粉LED以及目前的有机LED相比，用于显示和照明时，具有色域广、色纯度高、低功耗、低成本、易加工等优点[13]。

2.3 光电探测

基于量子点可调节的吸收谱，研究人员可以合成具有特定吸收峰的量子点附着于探测器上，甚至可以制作特定的光电感应器件，用于特殊环境光强探测及校准[14]。

2.4 生物应用

量子点在生物上的应用最为广泛也最为成熟，主要分为细胞成像和分子示踪这两面。

2.4.1 细胞成像

现代医学己经到了一个全新的高度，研充者不仅可以定量研究药物的疗效，甚至能够实时监测药物的作用机制，因此，相应的细胞标记技术便成了至关重要的技术手段。与传统荧光材料相比，量子点具有宽吸收谱、窄荧光谱、高稳定性的特点，而能更好的应用于生物标记[15]、细胞成像[16]。

2.4.2 分子示踪[17]

相较于细胞标记，分子示踪对技术要求更进一步。在实际临床上，研究者不仅可以检测细胞的动向，同时可以定向研究药物在病体中的趋势，具有实时分析的重要意义。

2.5 激光器

由于量子点的限域效应，使其阈值电流降低、工作温度升高，这些因素都在一定程度上提高了激光器的质量[18]。

2.6 量子点的其他应用

由于量子点的特殊光电效应，量子点在红外探测器、离子传感器等面也得到有很好的应用。

3.量子点的制备

量子点的制备法多种多样，不同法制备出来的量子点性能也各不相同，可根据实际需求选择不同的实验法。制备法大致可分为三大类：固相法、液相法和气相法，并且每一类又有多种制备手段[19]。

3.1 固相法

固相法制备量子点通常为物理法，一般分为物理粉碎法、机械球磨法和真空冷凝法。固相法的优点在于该法制备出的量子点结构优异，其操作法简单，但成本高昂，对设备要求很高，且易引入杂质，对量子点的尺寸和表面性质的精确控制面有所欠缺。

3.2气相法

3.2.1 物理气相法

气相法分为物理气相法和化学气相法。物理气相沉淀法(Physical Vapor Deposition, PVD)在整个纳米材料形成过程中没有化学反应的发生，该法主要是在真空条件下，采用物理法将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积法具有过程简单，对环境改善，无污染，耗材少的优势，但由于过程不发生化学反应，所以只能适用于现有物质的纳米化。

3.2.2 化学气相法

化学气相气相法也叫化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD)，该法是直接利用气体，或者通过各种手段将物质转变为气体，使之在气体状态下发生化学反应得到想要产物，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子的法。通过该法可制备出的纳米材料具有纯度高、颗粒分散性好、粒径分布窄、粒径小的特点，但同时，该法的反应源和反应后的余气易燃、易爆或有毒，因此需要采取防止环境污染的措施，且对设备往往还有耐腐蚀的要求。

3.3液相法

液相法主要发生在溶剂中，是量子点合成适用最广泛的法，该法常通过选用合适的前驱体（核心部分）和配体（稳定剂，用于防止团聚），通过控制反应条件（温度、浓度等）获得具有不同尺寸的量子点。

3.3.1 有机金属高温分解法

目前，该法是合成量子点最常用的一种化学法，也是最成功的合成高质量纳米粒子的法之一。如Murray在1993年首先提出了这一制备法[20]，利用含有Se、Te、Cd等的有机金属作为前驱体，在配位溶剂TOPO中制备出了CdS、CdSe、CdTe量子点。该法是无水无氧的条件下，在高沸点的有机溶剂中利用前躯体热解制备量子点的法，即将有机金属前躯体溶液注射进有机配位溶剂液中，前躯体在无水无氧及高温条件下迅速热解并成核，晶核缓慢生长成为纳米晶粒。该法制备的量子点具有种类多和量子产率高等优点，其粒径分布也可用多种手段进行控制。通过有机金属高温分解法制备的量子点具有量子产率高和发射峰窄的特点，但是该法也有原料成本较高，反应条件要求苛刻，操作过于复杂，实验条件不易控制，毒性较大且易燃易爆等不足之处。

3.3.2 “绿色化学”有机相合成法

与有机金属高温分解法类似，该法仍然利用高温使量子点快速成核并缓慢生长。该法的特点是使用非配体有机溶剂和烷基非金属前驱体。该法选用毒性小的金属氧化物(CdO)或盐(Cd(OOCCH3)2, CdCO3)为原料，并沿用烷基非金属化合物为前驱体，选用长烷基链的酸、氨、磷酸、氧化磷为配体；以高沸点有机溶剂为介质。这一改进降低了成本以及对设备的要求，最主要的是减少了对环境的污染。但是产物在空气中的不稳定性限制了它们的潜在应用，有机相中的量子点必须通过进一步的表面亲水修饰才能具备生物亲合性。但亲水修饰过程不但需要复杂的表面配体交换，而且会破坏纳米晶的发光性质。因此，研究在水溶液中直接合成量子点，即水相合成法，对于量子点的进一步推广及应用具有重要意义。

3.3.3水相合成法

水相合成法的基本原理是在水溶液中利用水溶性的配体作为稳定剂，直接合成水溶性的纳米粒子。目前主要有巯基化合物和聚合物作为稳定剂。其中巯基化合物以性质稳定、价格便宜、毒性较小等优点而广泛应用。相比有机相合成法，水相合成法操作简单、成本低。由于量子点是直接在水相中合成的，既解决了量子点的水溶性问题，又提高了量子点的稳定性。但水相法往往耗时较长，需经过长时间的回流过程才能得到理想的荧光性能和尺寸分布。

3.3.4 水热法及微波法

水热法和微波法也是近年来常用的量子点的制备技术[21]。水热法是将反应物放入高压反应釜中，通过将水加热到接近临界温度而制备量子点的法。由于反应釜产生的高压，可以将水的沸点提至100℃以上，如此便打破常压下对制备温度的限制。该法制备巯基乙酸包覆的CdTe量子点，在未作优化的前提下，其荧光量子产率便可超过30％。

微波法是利用微波辐射原理，从分子部进行加热，有效地改善了传统法的水浴加热所导致的局部温度过高等问题。Rogach等人[22]从2000年开始利用微波辅助加热的法，不仅制备出CdSe单核量子点和CdSe/CdS核壳式量子点，又融合了光刻蚀技术，使CdSe/CdS荧光量子产率提高到40％左右。

4.检测法

4.1 透射电子显微镜(TEM)

由TEM图像可以获得量子点的尺寸，并且可以看出量子点的形貌结构，如对于核壳结构量子点而言，通过TEM可以观测到核壳是否完全包覆，和核壳的尺寸大小及晶格参数。

4.2 X射线衍射(XRD)

X 射线衍射强度分布与纳米粒子的颗粒尺寸密切相关。一般而言，量子点尺寸越小，某一衍射线的宽度会增加。计算纳米粒子平均粒径的常用法是

Debye-Scherrer法[23]，计算公式为。式中，λ是X射线的波长；K是形状因子，取值围是0.85-0.9，一般取0.89；B是相应衍射线的半宽度；θ是相应衍射线的布拉格角。实际测试表明，这种法得到的结果与TEM 的观测结果是一致的。

4.3 吸收光谱与发射光谱

根据量子点的特性估算吸收光谱及发射光谱波长概值，而选用合适的光谱仪进行测量。

4.4 辐射度量与光度量

辐射亮度是指量子点LED在某一向上、单位立体角的辐射通量，其单位为瓦特每球面度平米，即W·sr-1·m-2。波长在380至780nm之间的是可见光，可见光辐射也是能量传播形式的一种。用字符Q e表示辐射能(radiant energy)，单位为焦耳(J)；用字符Φe表示辐射通量；用字符Q e表示辐射功率；用L e表示辐射亮度。假设LED发光总面积为dA，当与表面法线N成θ角，在dΩ立体角发出的辐射通量为dΦe时，辐亮度L e表示如下公式：

光度量是按人眼视觉响应特性建立的表征可见光的量，所以，人的视觉特性决定着光度量和辐射量关系。用L v表示光亮度。若LED发光面积为dA，在元立体角dΩ，在和表面法线N成θ角向发射的光通量为dΦv，则光亮度表示为：

4.5 色度量

CIE-RGB系统分别用波长7×10-7m表示红色、5.461×10-7m表示绿色、4.358×10-7m表示蓝色，分别用R、G、B表示，亦称为三原色。用此三原色匹配等能光谱色。与待测光达到颜色匹配所需的三种原色刺激的量，分别用X(红原色刺激量)、Y(绿原色刺激量)和Z(蓝原色刺激量)表示。用如下公式表示：

CIE为了统一尺度，规定光源的Y刺激值为100。另外规定、为色坐标，图4.1是CIE1931色坐标图，给出相应的x，y数值，色坐标图中的某点位置与色温等参数就确定了。

图4.1 色坐标图

色温是LED光显色的重要参数，表示当LED光与黑体在某一特定温度下辐射光的颜色相同时，此时黑体的温度称为该LED的相关色温。

显色指数(CRI)是描述LED光源颜色特性的重要指标，是被测光源照射物体

后显示的心理颜色与标准参照光源照射同一物体后显示颜色的差异，完全相同表示显色指数为100，差异越大，显色指数越低。通常，被测LED光源发射光谱与标准光源光谱成分不同时，尤其是缺少某种光谱时，显色指数都不会很高。

4.6 量子产额

量子产额又称量子效率，光源的辐射效率是指在给定波长围，量子点LED 光源发射的辐射功率P E与产生这些辐射通量所需电功率P e之比，即：

这是一个无量纲的百分数。

与之类似的是量子点LED光源发射的光通量P V与产生这些光通量所需电功率P e之比，称为该光源的发光效率ηV，其单位是流明每瓦(lm/W)：

此外，LED 的发光性质通常用、外量子效率表示。量子点LED的量子效率IQE(internal quantum efficiency)，定义为单位时间有源层载流子复合发出的光子数与注入LED的电子数的比值，用ηint表示，公式为：

量子点LED的外量子效率EQE定义为：单位时间LED发出的光子数与注入LED 的电子数的比值，用ηext表示，公式为：

5.参考文献

[1]德辉. CuInS2核壳结构量子点制备与性能研究[D]. ：工业大学轻工化工学院, 2016：1-71.

[2]涛. Ⅱ–Ⅵ族半导体CdTe低维量子结构的光电性质研究[D]. ：电子科学与工程学院,

2016：1-62.

[3]Daniel L. Feldheim, Christine D. Keating. Self-assembly of single electron transistors and

related devices[J]. Chem. Soc. Rev., 1998(27)：1-12.

[4]佳奇. 半导体ZnSe量子点和碳量子点的制备及其应用[D]. ：大学, 2015:1-140.

[5]Philip Ball, Laura Garwin. Science at the atomic scale[J]. Nature, 1992(355)：761-766.

[6]立德, 牟季美. 纳米材料和纳米结构[M]. 第一版. 科技出版社, ZQ01, 1-523.

[7]中国科学院化学学部, 自然科学基金委化学科学部. 展望21世纪的化学[M]. 化京:化学

工业出版社, 2001：99-101.

[8]Keldysh, LV. Coulomb. Interaction in Thin Semiconductor and Semimetal Films[J]. JETP

Lett., 1979(29)：658-661.

[9]L. Qian, D. Bera, T. K. Tseng, P. H. Holloway. High Efficiency Photoluminescence from

Silica-Coated CdSe Quantum Dots[J]. Appl. Phys. Lett., 2009(4)：073112-073114.

[10]I. L. Medintzi, H. T. Uyeda, E. R. Goldman, H. Mattoussi. Quantum Dot Bioconjugates for

Imaging Labelling and Sensing[J]. Nature Materials. 2005(4)：435-446.

[11]林以军. 量子点荧光粉发光机理、LED制备及用于可见光通信的带宽特性研究[D]. ：

大学电子科学与工程学院, 2016:1-140.

[12]J. Y. Jung, Z. Guo, S. W. Jee, H. D. Um, K. T. Park, M. S. Hyun, J. M. Yang, J. H. Lee. A

waferscale Si wire solar cell using radial and bulk p–n junctions[J]. Nanotechnology, 2010(21)：445303.

[13]Y. Shirasaki, G. J. Supran, M. G. Bawendi, et al. Emergence of colloidal quantum-dot

light-emitting technologies[J]. Nat. Photon., 2013(7)：13-23.

[14]C. C. Chang, Y. D. Sharma, Y. S. Kim, J. A. Bur, R. V. Shenoi, S. Krishna, D. Huang, S. Y.

Lin, A Surface Plasmon Enhanced Infrared Photodetector Based on InAs Quantum Dots[J].

Nano Lettere, 2010(10)：1704-1709.

[15]W. C. W. Chan, S. Nie, Quantum dot bioconjugates for ultrasensitive nonisotopic detection[J].

Science, 1998(281)：2016-2018.

[16]R. Zhang, X. W. He, W. Y. Li, Y. K. Zhang, One-pot aqueous synthesis of

composition-tunable near-infrared emitting Cu-doped CdS quantum dots as fluorescence imaging probes in living cells[J]. Mater. Chem., 2012(22)：22250-22257.

[17]Y. Zheng, S. Gao, J. Y. Ying, Synthesis and Cell-Imaging Applications of

Glutathinone-Capped CdTe Quantum Dots[J]. Adv. Mater., 2007(19)：376-380.

[18]夏建白. 量子线、量子点和它们的激光器[M]. 物理, 1998(27)：141-145.

[19]瑞鹏. 胶体化学法制备半导体纳米晶法研究进展[J]. 职业教育, 2012(1)：118.

[20]C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi, et al. Synthesis and characterization of nearly

monodisperse CdE(E=sulfur, selenium, tellurium) semieonduetor nanocrystallites[J]. J. Am.

Chem. Soc., 1993(115)：8706-8715.

[21]芳淼, 金哲明, 可心, 谭明月. 量子点的合成法与展望[J]. 科技创新与应用, 2016(12)：

1-2.

[22]A. L. Rogach, D. Nattatri, J. W. Ostrander, et al. Raisin bun-type composite of silica and

semiconductor nanocrystals[J]. Chemistry of Materials, 2000(9)：2676-2685.

[23]T. I. Milenov, P. M. Rafailov, R. Petrova, Kargin, F. Yu., M. M. Gospodinov. X-ray

diffraction study of a Bi4Ge3O12crystal[J]. Materials science and engineering b-solid state materials for advanced technology, 2007()：35-40.

量子点发光材料综述

量子点发光材料综述 1.量子点简介 1.1量子点的概述 量子点(quantum dot, QD)是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料，而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm[1]。更进一步的规定指出，量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径，其尺寸通常在1-10nm左右[2]。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径，量子点能表现出明显的量子点限域效应，此时载流子在三个向上的运动受势垒约束，这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。量子点中的电子和空穴被限域，使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构[1]。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。 1.2量子点的特性 由于量子点中载流子运动受限，使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构，表现出与对应体材料完全不同的光电特性。 1.2.1 量子尺寸效应 纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制，能量发生量子化，连续能带变为分立的能级结构，带隙展宽，从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化[3]。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明，随着量子点尺寸的缩小，其荧光将会发生蓝移，且尺寸越小效果越显著[4]。 1.2.2 表面效应 纳米颗粒的比表面积为，也就是说量子点比表面积随着颗粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小，拥有极大的比表面积，其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时，会对量子点的光学性质产生极大影响[5]。 1.2.3 量子隧道效应 量子隧道效应是基本的量子现象之一。简单来说，即当微观粒子(例如电子等)能量小于势垒高度时，该微观粒子仍然能越过势垒。当多个量子点形成有序

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(完整word版)量子点LED

量子点LED专题报告 一、什么是量子点LED？ 量子点LED是把有机材料或者LED芯片和高效发光无机纳米晶体结合在一起而产生的具有新型结构的量子点有机发光器件。相对于传统的有机荧光粉，量子点具有发光波长可调（可覆盖可见和近红外波段）、荧光量子效率高（可大于90%）、颗粒尺寸小、色彩饱和度高、可 低价溶液加工、稳定性高等优点，尤其值得注意的是高色纯度的发光使得其色域已经可以超过HDTV标准色三角。因此基于量子点的发 光二极管，有望应用于下一代平板显示和照明。

表征量子点的光电参数: 1、光致发光谱（PL谱）：光致发光谱反映的是发射光波长与发光强度的关系。从PL谱上可以得到发光颜色的单色性、复合发光的机制、量子点的颗粒尺寸大小及分布均匀性、本征发射峰波长等基本光学信息。量子点光致发光谱的半高宽越窄，说明量子点的发光单色性越好，器件的缺陷和杂质复合发光越少。 2、紫外可见吸收谱：量子点的紫外可见吸收谱反映的是量子点对不同波长光的吸收程度，从谱中吸收峰的位置可计算出量子点的禁带宽度。量子点吸收谱的第一吸收峰与光致发光谱的发射峰的偏移是斯托

克斯位移，斯托克斯位移越大，量子点的自吸收越弱，量子点的荧光强度越高。 3、光致发光量子产率：量子点溶液的光致发光量子产率是通过与标准荧光物质（一般用罗丹明6G）的荧光强度对比而测出。量子点高的量子产率能有效提升器件的发光效率，但纯核量子点沉积成薄膜后量子产率将比在溶液中的量子产率下降1到2个数量级。量子点也存在荧光自淬灭现象，这是由存在于不均匀尺寸分布的量子点中的激子通过福斯特能量转移到非发光点进行非辐射复合所引起。 二、量子点LED在照明显示中的应用方案 量子点的发射峰窄、发光波长可调、荧光效率高、色彩饱和度好，非常适合用于显示器件的发光材料。量子点LED在照明显示领域中的应用方案主要包括两个方面：a、基于量子点光致发光特性的量子点背光源技术（QD-BLU，即光致量子点白光LED）；b、基于量子点电致发光特性的量子点发光二极管技术（QLED）。

量子点发光材料综述

量子点 1.量子点简介 1.1量子点的概述 量子点(quantum dot, QD)是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料，而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm[1]。更进一步的规定指出，量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径，其尺寸通常在1-10nm左右[2]。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径，量子点能表现出明显的量子点限域效应，此时载流子在三个方向上的运动受势垒约束，这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。量子点中的电子和空穴被限域，使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构[1]。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。 1.2量子点的特性 由于量子点中载流子运动受限，使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构，表现出与对应体材料完全不同的光电特性。 1.2.1 量子尺寸效应 纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制，能量发生量子化，连续能带变为分立的能级结构，带隙展宽，从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化[3]。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明，随着量子点尺寸的缩小，其荧光将会发生蓝移，且尺寸越小效果越显著[4]。 1.2.2 表面效应 纳米颗粒的比表面积为，也就是说量子点比表面积随着颗 粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小，拥有极大的比表面积，其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时，会对量子点的光学性质产生极大影响[5]。 1.2.3 量子隧道效应 量子隧道效应是基本的量子现象之一。简单来说，即当微观粒子(例如电子等)能量小于势垒高度时，该微观粒子仍然能越过势垒。当多个量子点形成有序阵列，载流子共同越过多个势垒时，在宏观上表现为导通状态。因此这种现象又

量子点发光材料综述

量子点发光材料综述

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量子点 1.量子点简介 1.1量子点的概述 量子点（ｑuaｎｔum ｄot, QD）是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料，而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于１00nm错误!未找到引用源。。更进一步的规定指出,量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径，其尺寸通常在1－1０nm左右[2]。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径，量子点能表现出明显的量子点限域效应，此时载流子在三个方向上的运动受势垒约束,这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。量子点中的电子和空穴被限域,使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构错误!未找到引用源。。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。 1.2量子点的特性 由于量子点中载流子运动受限，使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构，表现出与对应体材料完全不同的光电特性。 １.2.1 量子尺寸效应 纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制,能量发生量子化,连续能带变为分立的能级结构，带隙展宽，从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化错误!未找到引用源。。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明,随着量子点尺寸的缩小，其荧光将会发生蓝移,且尺寸越小效果越显著[４]。 １．2．2 表面效应 纳米颗粒的比表面积为A m=S V =4πR2 4 3 πR3 =3 R ,也就是说量子点比表面积随着颗 粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小,拥有极大的比表面积,其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时，会对量子点的光学性质产生极大影响错误!未找到引用源。。 1．２.3量子隧道效应

半导体量子点发光

. 半导体量子点发光 一、半导体量子点的定义 当半导体的三维尺寸都小于或接近其相应物质体相材料激子的玻尔半径（约5.3nm）时，称为半导体量子点。 二、半导体量子点的原理 在光照下，半导体中的电子吸收一定能量的光子而被激发，处于激发态的电子向较低能 级跃迁，以光福射的形式释放出能量。大多数情况下，半导体的光学跃迁发生在带边，也就是说光学跃迁通常发生在价带顶和导带底附近。半导体的能带结构可以用图的简化模型来表 示。如图所示，直接带隙是指价带顶的能量位置和导带底的能量位置同处于一个K 空间，间接带隙是指价带顶位置与导带底位置的K 空间位置不同。电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这是半导体的发光现象。

. 对于半导体量子点，电子吸收光子而发生跃迁，电子越过禁带跃迁入空的导带，而在原来的价带中留下一个空穴，形成电子空穴对（即激子），由于量子点在三维度上对激子施加 量子限制，激子只能在三维势垒限定的势盒中运动，这样在量子点中，激子的运动完全量子 化了，只能取分立的束缚能态。激子通过不同的方式复合，从而导致发光现象。原理示意图，如图所示，激子的复合途径主要有三种形式。 (1)电子和空穴直接复合 ,产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用 ,所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。 (2)通过表面缺陷态间接复合发光。在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键,从而形成了许多表面缺陷态。当半导体量子点材料受光的激发后,光生载流子以极快的速度受限于表面缺 陷态而产生表面态发光。量子点的表面越完整,表面对载流子的捕获能力就越弱,从而使得表面态的发光就越弱。 (3)通过杂质能级复合发光。杂质能级发光是由于表面分子与外界分子发生化学反应生 成其它杂质，这些杂质很容易俘获导带中的电子形成杂质能级发光。 以上三种情况的发光是相互竞争的。如果量子点的表面存在着许多缺陷,对电子和空穴的俘获能力很强,电子和空穴一旦产生就被俘获,使得它们直接复合的几率很小,从而使得激子态的发光就很弱,甚至可以观察不到,而只有表面缺陷态的发光。 为了消除由于表面缺陷引起的缺陷态发光而得到激子态的发光,常常设法制备表面完整 的量子点或者通过对量子点的表面进行修饰来减少其表面缺陷,从而使电子和空穴能够有效 地直接复合发光。

半导体量子点及其应用概述_李世国答辩

科技信息2011年第29期 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 0引言 近年来半导体材料科学主要朝两个方向发展:一方面是不断探索扩展新的半导体材料,即所谓材料工程;另一方面是逐步从高维到低维深入研究己知半导体材料体系,这就是能带工程。半导体量子点就是通过改变其尺寸实现能级的改变,达到应用的目的,这就是半导体量子点能带工程。半导体量子点是由少量原子组成的准零维纳米量子结构,原子数目通常在几个到几百个之间,三个维度的尺寸都小于100纳米。载流子在量子点的三个维度上运动受尺寸效应限制,量子效应非常显著。在量子点中,由于量子限制效应作用,其载流子的能级类似原子有不连续的能级结构,所以量子点又叫人造原子。由于特殊能级结构,使得量子点表现出独特的物理性质,如量子尺寸效应、量子遂穿效应、库仑阻塞效应、表面量子效应、量子干涉效应、多体相关和非线性光学效应等,它对于基础物理研究和新型电子和光电器件都有很重要的意义,量子点材料生长和器件应用研究一直是科学界的热点之一[1]。 1量子点制备方法 目前对量子点的制备有很多方法,主要有外延技术生长法、溶胶-凝胶法(Sol-gel 和化学腐蚀法等,下面简单介绍这几种制备方法: 1.1外延技术法 外延技术法制备半导体量子点,主要是利用当前先进的分子束外延(MBE、金属有机物分子束外延(MOCVD和化学束外延(CBE等技术通过自组装生长机理,在特定的生长条件下,在晶格失配的半导体衬底上通过异质外延来实现半导体量子点的生长,在异质外延外延中,当外延材料的生长达到一定厚度后,为了释放外延材料晶格失配产生的应力能,外延材料就会形成半导体量子点,其大小跟材料的晶格失配度、外延过程中的条件控制有很大的关系,外延技术这是目前获得高质量半导体量子点比较普遍的方法,缺点是对半导体量子点的生长都是在高真空或超高真空下进行,使得材料生长成本非常高。1.2胶体法

上转换发光材料

上转换发光材料 上转换发光的概念： 上转换发光是在长波长光激发下，可持续发射波长比激发波长短的光。本质上是一种反-斯托克斯（Anti-Stokes）发光，即辐射的能量大于所吸收的能量。斯托克斯定律认为材料只能受到高能量的光激发，发出低能量的光，换句话说，就是波长短的频率高的激发出波长长的频率低的光。比如紫外线激发发出可见光，或者蓝光激发出黄色光，或者可见光激发出红外线。但是后来人们发现，其实有些材料可以实现与上述定律正好相反的发光效果，于是我们称其为反斯托克斯发光，又称上转换发光。 上转换发光技术的发展： 早在1959年就出现了上转换发光的报道，Bloembergc在Physical Review Letter上发表的一篇文章提出，用960nm的红外光激发多晶ZnS，观察到了525nm绿色发光。1966年Auzcl在研究钨酸镱钠玻璃时，意外发现，当基质材料中掺入Yb离子时，Er3+、Ho3+和Tm3+离子在红外光激发时，可见发光几乎提高了两个数量级，由此正式提出了“上转换发光”的观点。整个60－70年代，以Auzal 为代表，系统地对掺杂稀土离子的上转换特性及其机制进行了深入的研究，提出掺杂稀土离子形成亚稳激发态是产生上转换功能的前提。迄今为止,上转换材料主要是掺杂稀土元素的固体化合物，利用稀土元素的亚稳态能级特性，可以吸收多个低能量的长波辐射，从而可使人眼看不见的红外光变成可见光。 80年代后期，利用稀土离子的上转换效应，覆盖红绿蓝所有可见光波长范围都获得了连续室温运转和较高效率、较高输出功率的上转换激光输出。1994年Stanford大学和IBM公司合作研究了上转换应用的新生长点——双频上转换立体三维显示，并被评为1996年物理学最新成就之一。2000年Chen 等对比研究了Er／Yb：FOG氟氧玻璃和Er／Yb：FOV钒盐陶瓷的上转换特性，发现后者的上转换强度是前者的l0倍，前者发光存在特征饱和现象，提出了上转换发光机制为扩散．转移的新观点。近几年，人们对上转换材料的组成与其上转换特性的对应关系作了系统的研究，得到了一些优质的上转换材料。 上转换发光的机理：

量子点发光材料简介

量子点发光材料综述 1.1 量子点的概述 量子点(quantum dot, QD)是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料，而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm[1]。更进一步的规定指出，量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径，其尺寸通常在1-10nm 左右[2]。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径，量子点能表现出明显的量子点限域效应，此时载流子在三个方向上的运动受势垒约束，这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。量子点中的电子和空穴被限域，使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构[1]。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。 1.2 量子点的特性 由于量子点中载流子运动受限，使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构，表现出与对应体材料完全不同的光电特性。 1.2.1 量子尺寸效应 纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制，能量发生量子化，连续能带变为分立的能级结构，带隙展宽，从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化[3]。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明，随着量子点尺寸的缩小，其荧光将会发生蓝移，且尺寸越小效果越显著[4]。 1.2.2 表面效应 纳米颗粒的比表面积为，也就是说量子点比表面积随着颗粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小，拥有极大的比表面积，其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时，会对量子点的光学性质产生极大影响[5]。 1.2.3 量子隧道效应 量子隧道效应是基本的量子现象之一。简单来说，即当微观粒子(例如电子等)能量小于势垒高度时，该微观粒子仍然能越过势垒。当多个量子点形成有序阵列，载流子共同越过多个势垒时，在宏观上表现为导通状态。因此这种现象又称为宏观量子隧道效应[6][7]。 1.2.4 介电限域效应

发光石墨烯量子点的应用及未来展望

发光石墨烯量子点的应用及未来展望 摘要 作为石墨烯家族的最新成员，石墨烯量子点(graphene quantum dots，GQDs)除了具有石墨烯优异的性能之外，还因其明显的量子限域效应和尺寸效应而展现出一系列新颖的特性，吸引了各领域科学家们的广泛关注。在这篇论文中，我们主要综述了石墨烯量子点的制备方法以及潜在应用，此外还说明了石墨烯量子点的发光机制以及对于其的展望。 关键词：石墨烯量子点，发光材料，应用 1引言 碳是地球上储量最丰富的元素之一，一次又一次得带给我们各种明星材料。1985年,克罗托、科尔和斯莫利三位科学家发现了富勒稀(C60)。1996年获得诺贝尔化学奖,这是零维碳材料的首次出现。而1991年碳纳米管的发现则成了一维碳材料的代表。1947年就开始了石墨烯的理论研究,用来描述碳基材料的性质,迄今有60多年历史。直到2004年,Novoselov和Geim (英国曼彻斯特大学教授)利用微机械剥离法使用胶带剥离石墨片,首次制得了目前最薄的二维碳材料—石墨稀,仅有一个原子厚度,2010年他们获得了诺贝尔物理奖,从此石墨稀成了物理学和材料学的热门研究对象。 石墨烯量子点(GQDs)，一种新型的量子点，当GQDs尺寸小于100 nm时，就会拥有很强的量子限制效应和边缘效应,当尺寸减小到l0nm时,这两个效应就更加显著,会产生很多有趣的现象，这也引发了广大科学家的研究兴趣。GQDs 具有特殊的结构和独特的光学性质,即有量子点的光学性质又有氧化石墨烯特殊的结构特征。GQDs的粒径大多在10 nm左右,厚度只有0.5到1.0 nm,表面含有羟基、羰基、羧基基团,使得其具有良好的水溶性。GQDs的合成方法不同,尺寸和含氧量不同,使紫外可见吸收峰位置不同。不同的合成方法使GQDs的光致发光性质不同,光致发光依赖于尺寸、激发波长、pH以及溶剂等。有些GQDs还表现了明显的上转换发光特性,GQDs不仅拥有光致发光性质还有优越的电致化学发光性能。 2合成方法 GQDs的制备方法有自上而下法(top-down)与自下而上法(bottom-up)两种。。自上而下方法是通过物理或化学将大尺寸的石墨烯片“裁剪”成小尺寸的石墨烯量子点的方法。主要包括纳米刻蚀法、水热法、电化学法、溶剂热法、化学剥离碳纤维法、微波辅助法等。这类方法步骤相对简单、产率较高，也是目前应用最多的一类方法。自下而上的方法则是以小分子为前体通过一系列溶液化学反应合成得到石墨烯量子点，这类方法可以对石墨烯量子点的形貌和尺寸精确控制，但步骤繁琐而且操作过程复杂。 2.1自上而下法合成GQDs 在酸氧化石墨稀后,其碳晶格上出现一列环氧基团,这些缺陷在水热条件下很

稀土上转换发光材料应用文章

稀土上转换发光及其光电产品推荐 目录 一、什么是上转换发光？ 二、镧系掺杂稀土上转换发光的发光原理 三、稀土上转换发光材料的应用 四、相关光电产品推荐 五、几个容易混淆的“上转换”概念 一、什么是上转换发光？ 斯托克斯（Stokes）定律认为材料只能受到高能量的光激发，发射出低能量的光，即经波长短、频率高的光激发，材料发射出波长长、频率低的光。而上转化发光则与之相反，上转换发光是指连 续吸收两个或者多个光子，导致发射波长短于激发波长的发光类型，我们亦称之为反斯托克斯 （Anti-Stokes）。 Figure 1.常规发光和上转换发光能级跃迁图Figure 2.样品被绿光激光激发之后产生荧光 （左边样品为Stokes emission，右边样品为Anti-stokes emission） 上转换发光在有机和无机材料中均有所体现，但其原理不同。 有机分子实现光子上转换的机理是能够通过三重态-三重态湮灭（Triplet-triplet annihilation，TTA），典型的有机分子是多环芳烃（PAHs）。 无机材料中，上转换发光主要发生在镧系掺杂稀土离子的化合物中，主要有NaYF4、NaGdF4、LiYF4、YF3、CaF2等氟化物或Gd2O3等氧化物的纳米晶体。NaYF4是上转换发光材料中的典型基质材 料，比如NaYF4:Er,Yb，即镱铒双掺时，Er做激活剂，Yb作为敏化剂。本应用文章我们着重讲讲稀 土掺杂上转换发光材料（Upconversion nanoparticles,UCNPs）。 二、镧系掺杂稀土上转换发光的发光原理 无机材料有三个基本发光原理：激发态吸收(Excited-state absorption, ESA)，能量传递上转换(Energy transfer upconversion, ETU)和光子雪崩(Photon avalanche, PA)。

半导体量子点发光

半导体量子点发光 一、半导体量子点的定义 当半导体的三维尺寸都小于或接近其相应物质体相材料激子的玻尔半径（约5.3nm）时，称为半导体量子点。 二、半导体量子点的原理 在光照下，半导体中的电子吸收一定能量的光子而被激发，处于激发态的电子向较低能级跃迁，以光福射的形式释放出能量。大多数情况下，半导体的光学跃迁发生在带边，也就是说光学跃迁通常发生在价带顶和导带底附近。半导体的能带结构可以用图的简化模型来表示。如图所示，直接带隙是指价带顶的能量位置和导带底的能量位置同处于一个K空间，间接带隙是指价带顶位置与导带底位置的K空间位置不同。电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这是半导体的发光现象。

对于半导体量子点，电子吸收光子而发生跃迁，电子越过禁带跃迁入空的导带，而在原来的价带中留下一个空穴，形成电子空穴对（即激子），由于量子点在三维度上对激子施加量子限制，激子只能在三维势垒限定的势盒中运动，这样在量子点中，激子的运动完全量子化了，只能取分立的束缚能态。激子通过不同的方式复合，从而导致发光现象。原理示意图，如图所示，激子的复合途径主要有三种形式。 (1)电子和空穴直接复合,产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用,所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。 (2)通过表面缺陷态间接复合发光。在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键,从而形成了许多表面缺陷态。当半导体量子点材料受光的激发后,光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态而产生表面态发光。量子点的表面越完整,表面对载流子的捕获能力就越弱,从而使得表面态的发光就越弱。 (3)通过杂质能级复合发光。杂质能级发光是由于表面分子与外界分子发生化学反应生成其它杂质，这些杂质很容易俘获导带中的电子形成杂质能级发光。 以上三种情况的发光是相互竞争的。如果量子点的表面存在着许多缺陷,对电子和空穴的俘获能力很强,电子和空穴一旦产生就被俘获,使得它们直接复合的几率很小,从而使得激子态的发光就很弱,甚至可以观察不到,而只有表面缺陷态的发光。 为了消除由于表面缺陷引起的缺陷态发光而得到激子态的发光,常常设法制备表面完整的量子点或者通过对量子点的表面进行修饰来减少其表面缺陷,从而使电子和空穴能够有效地直接复合发光。

发光材料综述

结构与物性结课作业 发 光 材 料 综 述 学院：物理与电子工程学院 专业：材料物理13-01 学号：541311020102 姓名：陈强

发光材料综述 摘要： 能够以某种方式吸收能量，将其转化成光辐射（非平衡辐射）物质叫做发光材料。发光是辐射能量以可见光的形式出现。辐射或任何其他形式的能量激发电子从价带进入导带，当其返回到价带时便发射出光子（能量为 1.8~3.1eV）。如果这些光子的波长在可见光范围内，那么，便产生了发光现象。 0引言 发光材料是国家重要战略能源，在人们的日常生活中也占据着重要地位，被广泛应用于各个领域，因此对发光材料的研制和运用受到越来越多的关注。 本文基于发光材料研究现状，分析发光材料种类和制备方式，并介绍几种不同发光材料在生活中的应用，以期推动我国发光材料研究探索，为国家建设和人们生活水平提高提供助力。发光材料是人类生活重要材料之一，在航天科技、海洋运输、医学医疗、出版印刷等各个领域被广泛应用，具有极为重要的战略地位。 随着科学技术的发展，发光材料研究已经成为了我国科学界广泛关注的焦点，其运用技术直接关系到人们日常生活质量和国防建设，因此如何推动发光材料研制，将其更加安全、合理、高效的应用于生产生活中，成为了亟待解决的问题。 1发光材料分类 发光材料按激发的方式可分为以下几类： 1.1光致发光材料 用紫外、可见及红外光激发发光材料而产生的发光称为光致发光，该发光材料称为光致发光材料。 光致发光过程分为三步：①吸收一个光子；②把激光能转移到荧光中心；③

由荧光中心发射辐射。 发光的滞后时间约为10-8s的称为荧光，衰减时间大于10-8s的称为磷光。 光致发光材料一般可分为荧光灯用发光材料、长余辉发光材料和上转换发光材料。 按发光驰豫时间分类，光致发光材料分为荧光材料和磷光材料。 图1 1.2电致发光材料 所谓电致发光是在直流或交流电场作用下，依靠电流和电场的激发使材料发光的现象，又称场致发光。这种发光材料称为电致发光材料，或称场致发光材料。 1. 本征式场致发光 简单地说，本征式场致发光就是用电场直接激励电子，电场反向后电子与中心复合而发光的现象。 2. 注入式发光 注人式场致发光是由Ⅱ- Ⅳ族和Ⅲ - Ⅴ族化合物所制成的有 p - n 结的二极管，注人载流子，然后在正向电压下，电子和空穴分别由 n 区和 p 区注人到结区并相互复合而发光的现象。又称p-n结电致发光 目前大概可以有以下几种材料: 1.2.1直流电压激发下的粉末态发光材料 目前常用的直流电致发光材料有Zn S:Mn，Cu，其发光亮度大约为350 cd/m。

上转换发光材料综述

Upconversion DOI:10.1002/anie.201005159 Upconverting Nanoparticles Markus Haase and Helmut Sch?fer* Angewandte Chemie Keywords: doping ·nanoparticles ·nonlinear optics ·photon upconversion ·surface chemistry 5808 https://www.wendangku.net/doc/1516987511.html, 2011Wiley-VCH Verlag GmbH &Co.KGaA,Weinheim Angew.Chem.Int.Ed.2011,50,5808–5829

1.Introduction In linear optics it is assumed that optical properties are independent of the intensity of the incident light.The expression “nonlinear optics”is usually used to describe all other phenomena for which the optical properties of the material depend on the radiant flux density of the exciting light.Nonlinear optics,an integral part of contemporary optics,is based on a number of nonlinear phenomena and processes.Photon upconversion (UC)is one such phenom-enon and is characterized by the conversion of long-wave-length radiation,for instance infrared or near infrared (NIR)radiation,to short-wavelength radiation,usually in the visible range.The upconversion process proceeds by different mechanisms,which are summarized and discussed in detail in several review articles [1–3]and can be roughly divided into three classes:APTE effect (for addition de photon par transferts d ’energie),later also named ETU for energy-transfer upconversion,[4,5]excited-state absorption (ESA),and photon avalanche (PA).It is worth mentioning that the expression “upconversion”is sometimes used to describe the consequence of these mechanisms,that is,the conversion from long-wavelength to short-wavelength radiation,and sometimes for a specific mechanism itself. All three mechanisms are based on the sequential absorption of two or more photons by metastable,long-lived energy states.This sequential absorption leads to the population of a highly excited state from which upconversion emission occurs.In the case of ESA,the emitting ions sequentially absorb at least two photons of suitable energy to reach the emitting level (Figure 1).In ETU,one photon is absorbed by the ion,but subsequent energy transfer from neighboring ions results in the population of a highly excited state of the emitting ion (Figure 1).Energy-transfer steps between two ions,both in excited states,leading to emission lines at short wavelength were first mentioned by Auzel in 1966.[6,7] ETU and ESA should not be confused with two other nonlinear optical processes,simultaneous two-photon absorp-tion (STPA)[1,8–10]and second-harmonic generation (SHG),which is efficient if coherent excitation sources with suffi-ciently high power are used.[11–14]Several early reviews focused on the synthesis and application of upconversion phosphors.[4,5,15,16] Important requirements for photon upconversion,such as long lifetimes of the excited states and a ladder-like arrange-ment of the energy levels with similar spacings,are realized for certain ions of the d and f elements.A large number of suitable hosts doped with transition-metal ions (3d,4d,5d)have been reported to show upconversion,for example Ti 2+-,[17,18]Ni 2+-,[19–22]Mo 3+-,[23,24]Re 4+-,[23,25,26]or Os 4+-doped solids.[27–30]Actinide-doped materials have also been inves-U pconversion (UC)refers to nonlinear optical processes in which the sequential absorption of two or more photons leads to the emission of light at shorter wavelength than the excitation wavelength (anti-Stokes type emission).In contrast to other emission processes based on multiphoton absorption,upconversion can be efficiently excited even at low excitation densities.The most efficient UC mechanisms are present in solid-state materials doped with rare-earth ions.The development of nanocrystal research has evoked increasing interest in the development of synthesis routes which allow the synthesis of highly efficient,small UC particles with narrow size distribution able to form transparent solutions in a wide range of solvents.Meanwhile,high-quality UC nanocrystals can be routinely synthesized and their solu-bility,particle size,crystallographic phase,optical properties and shape can be controlled.In recent years,these particles have been discussed as promising alternatives to organic fluorophosphors and quantum dots in the field of medical imaging. From the Contents 1.Introduction 5809 2.Selection of Suitable Dopants and Host Materials 5810 3.Synthesis,Growth,and Properties of Rare-Earth-Doped Nanocrystals 58124.Surface Functionalization by Modification of the Ligand Shell and the Particle Surface 58205.Application of Upconversion Nanocrystals 58206.Conclusions and Outlook 5822 Figure 1.UC processes for lanthanide-doped crystals:a)excited-state absorption,b)energy-transfer upconversion.d :photon excitation,a :energy transfer,c :emission.Reproduced from reference [47]by permission of The Royal Society of Chemistry. [*]Prof.Dr.M.Haase,Dr.H.Sch?fer Inorganic Chemistry I,University of Osnabrück Barbarastrasse 7,49069Osnabrück (Deutschland)E-mail:helmut.schaefer@uos.de 5809 Angew.Chem.Int.Ed.2011,50,5808–5829 2011Wiley-VCH Verlag GmbH &Co.KGaA, Weinheim

一文解析量子点技术的发光原理

一文解析量子点技术的发光原理 很多东西都是偶然发现的引力、青霉素、新大陆现在这个名单又有了新成员：美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学家发现了，为什么一项制造量子点和纳米柱的技术到目前为止还不能令人满意。而且，他们还发现了如何纠正这个问题。 伯克利实验室的化学家Paul Alivisatos和Illinois大学的化学家Prashant Jain领导一组研究者发现，为什么溶液中的多种成分结晶而成的纳米晶体经过阳离子置换后，色泽变差了。他们发现，问题的根源是最终的产品不纯。研究小组还指出，这些杂质可以通过加热去除。图片左边的瓶子里装的是净化前的晶体，右边的瓶子里是把杂质去除后的纳米晶体。 所谓量子点量子点是指直径小于纳米的半导体超微颗粒。1纳米相当于十亿分之一米，足见量子点颗粒之小。简单比较来说，如果世界的大小假定为1，那么量子点（0.000000001）就相当于一个足球那么大。它比时下已成为问题的空气中的超细微颗粒（2.5m）都要小一千倍。量子点是由无机物材料，直径为2~10纳米的内核和外壳组成，最终由高分子涂层包裹而成的构造。最具代表性的量子点材料是镉。由于镉对环境有害，三星开发了新的量子点技术，即使没有镉材料，依旧可以保持量子点的高性能。目前这项技术正投入使用中。量子点的发光原理量子点的独特之处在于，即使向同一种物质发光或供给电流，根据粒子的大小却会展现出不同的颜色。粒子若小则会看到蓝色的短波光，粒子若大则会看到红色的长波光，因而可以通过粒子的大小来表现不同的颜色。 量子点显示的分类①QDEF-LCD （Quantum Dot Enhancement Film LCD） 目前应用量子点技术的产品如已上市的三星SUHD电视等，主要使用的就是QDEF技术。就是在基准的LCD上添加量子薄膜。其具体方式就是将含有量子点的量子薄膜如上图所示插入在发光的背光模组之上，让穿过薄膜的光通过液晶和彩色滤光片的方式展现颜色。构造虽与LCD的方式无异，但通过QDEF技术可以得到相当好的色彩再现效果。 ②QDCF-LCD （Quantum Dot Color Filter LCD） 与QDEF的方式在LCD的背光模组上添加量子薄膜不同，QDCF技术是直接将基准的LCD 彩色滤光片（color filter）材料换成QD来表现所需的颜色。这项技术的优势在于量子点的

半导体量子点发光知识讲解

半导体量子点发光

半导体量子点发光 一、半导体量子点的定义 当半导体的三维尺寸都小于或接近其相应物质体相材料激子的玻尔半径 （约5.3nm）时，称为半导体量子点。 二、半导体量子点的原理 在光照下，半导体中的电子吸收一定能量的光子而被激发，处于激发态的电子向较低能级跃迁，以光福射的形式释放出能量。大多数情况下，半导体的光学跃迁发生在带边，也就是说光学跃迁通常发生在价带顶和导带底附近。半导体的能带结构可以用图的简化模型来表示。如图所示，直接带隙是指价带顶的能量位置和导带底的能量位置同处于一个K 空间，间接带隙是指价带顶位置与导带底位置的K空间位置不同。电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这是半导体的发光现象。

对于半导体量子点，电子吸收光子而发生跃迁，电子越过禁带跃迁入空的导带，而在原来的价带中留下一个空穴，形成电子空穴对（即激子），由于量子点在三维度上对激子施加量子限制，激子只能在三维势垒限定的势盒中运动，这样在量子点中，激子的运动完全量子化了，只能取分立的束缚能态。激子通过不同的方式复合，从而导致发光现象。原理示意图，如图所示，激子的复合途径主要有三种形式。 (1)电子和空穴直接复合,产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用,所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。 (2)通过表面缺陷态间接复合发光。在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键,从而形成了许多表面缺陷态。当半导体量子点材料受光的激发后,光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态而产生表面态发光。量子点的表面越完整,表面对载流子的捕获能力就越弱,从而使得表面态的发光就越弱。 (3)通过杂质能级复合发光。杂质能级发光是由于表面分子与外界分子发生化学反应生成其它杂质，这些杂质很容易俘获导带中的电子形成杂质能级发光。 以上三种情况的发光是相互竞争的。如果量子点的表面存在着许多缺陷,对电子和空穴的俘获能力很强,电子和空穴一旦产生就被俘获,使得它们直接复合的几率很小,从而使得激子态的发光就很弱,甚至可以观察不到,而只有表面缺陷态的发光。 为了消除由于表面缺陷引起的缺陷态发光而得到激子态的发光,常常设法制备表面完整的量子点或者通过对量子点的表面进行修饰来减少其表面缺陷,从而使电子和空穴能够有效地直接复合发光。