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纳米光子学是研究纳米尺度光与物质相互作用的一门科学和技术，是近年来发展迅速的一个前沿领域。本书介绍了纳米光子学领域的概貌和纳米晶体量子点光纤型器件等方面的应用；简述了量子点的基本概念和纳米光子学的基础理论，讨论了量子点的能级结构；介绍了量子点的制备和表征、量子点光谱、量子点的热稳定性和光纤中的光传输；阐述了近年来在量子点光纤、量子点光纤放大器和量子点光纤激光器方面的研究工作；简单介绍了近年来极为热门的量子点太阳能电池，包括PIN结构、量子点敏化太阳能电池、多激子效应等。

本书可供纳米光子学及其器件领域的科技工作者阅读，也可供光学、光学工程、纳米材料、通信和电子等方向的研究生阅读或作为教材使用。

序

前言

第1章 量子点概述

1.1 量子阱、量子线和量子点

1.2 量子效应

1.2.1 量子尺寸效应

1.2.2 表面效应

1.2.3 宏观量子隧道效应

1.2.4 库仑阻塞效应

1.3 量子点的类型和结构

1.3.1 量子点的类型

1.3.2 量子点的结构

1.4 量子点的应用和研究

1.4.1 量子点光电子器件

1.4.2 量子点太阳能电池

1.4.3 量子点在生命科学中的应用

1.4.4 量子点研究展望

参考文献

第2章 纳米光子学基础

2.1 光子和电子

2.2 激子

2.3 传播和约束

2.3.1 自由空间中的传播

2.3.2 光子和电子的约束

2.4 隧道效应

2.5 周期势场下的约束:带隙

2.6 协同效应

2.6.1 光子和电子的协同效应

2.6.2 协同辐射

2.6.3 纳米级能量转移

2.7 纳米级光学相互作用

2.7.1 棱镜全内反射

2.7.2 表面等离子体共振

2.7.3 波导耦合

参考文献

第3章 量子点的能级结构

3.1 量子电子态

3.1.1 势阱中的粒子

3.1.2 球对称势阱中的粒子

3.1.3 库仑势中的电子

3.1.4 周期势中的粒子

3.1.5 晶体中的电子

3.1.6 准粒子电子、空穴和激子

3.2 有效质量近似

3.2.1 弱约束情形

3.2.2 强约束情形

3.2.3 中等约束情形

3.3 表面极化效应

3.4 紧束缚近似

3.5 经验赝势法

参考文献

第4章 量子点的制备和表征

4.1 量子点制备

4.1.1 分子束外延生长

4.1.2 金属有机化学气相沉积

4.1.3 脉冲激光沉积

4.1.4 纳米化学法

4.1.5 高温熔融法

4.2 实验室量子点光纤制备

4.2.1 光纤本底材料的选择

4.2.2 量子点胶体的制备

4.2.3 空芯光纤灌装方法探索

4.2.4 量子点玻璃光纤(空气包层)的制备

4.3 量子点的表征

4.3.1 X射线

4.3.2 电子显微镜

4.3.3 扫描探针显微镜

4.3.4 激光粒度仪

4.3.5 吸收—发射光谱

4.4 熔融法制备PbSe量子点玻璃

4.4.1 实验制备

4.4.2 结果与分析

4.4.3 结论

4.5 CdSe/PMMA量子点光纤材料的制备

4.5.1 概述

4.5.2 制备

4.5.3 结果与分析

4.5.4 结论

4.6 本体聚合法制备PbSe/PMMA量子点光纤材料

4.6.1 概述

4.6.2 制备

4.6.3 结果与分析

4.6.4 结论

4.7 脉冲激光沉积法制备锗纳米薄膜

4.7.1 实验

4.7.2 结果与分析

4.7.3 结论

4.8 基于SiO2光纤的单分散CdS量子点的制备

4.8.1 制备

4.8.2 结果与分析

4.8.3 结论

参考文献

第5章 量子点光谱

5.1 量子点的发光

5.1.1 发光模式

5.1.2 俄歇复合

5.1.3 量子点光谱的频移

5.2 跃迁谱线线形

5.2.1 均匀展宽

5.2.2 非均匀展宽

5.2.3 综合展宽

5.3 量子点的吸收、辐射和散射特性

5.3.1 吸收

5.3.2 辐射

5.3.3 散射

5.4 跃迁截面

5.4.1 截面的概念

5.4.2 爱因斯坦系数和Ladenburg-Fuchtbauer关系

5.4.3 辐射截面的Mc Cumber理论

5.4.4 截面的确定

5.4.5 能级寿命

5.5 量子点掺杂对本底折射率的影响

5.5.1 本底溶剂的折射率

5.5.2 量子点胶体的折射率

5.5.3 量子点对本底折射率的影响

5.6 PbSe、PbS和CdSe、CdS量子点的比较

参考文献

第6章 量子点的热稳定性

6.1 表面能

6.2 纳米粒子的热学性质

6.2.1 纳米粒子的热导

6.2.2 纳米粒子的熔融

6.3 CdSe/ZnS量子点的热稳定性研究

6.3.1 实验和结果

6.3.2 实验和理论的比较与讨论

6.3.3 小结

参考文献

第7章 光纤中的光传输

7.1 均匀介质中的光传输

7.2 三能级系统

7.2.1 三能级模型

7.2.2 三能级速率方程

7.2.3 小信号增益

7.2.4 增益饱和

7.2.5 最佳光纤长度

7.3 重叠因子

7.4 二能级模型

7.4.1 二能级近似

7.4.2 二能级速率方程

7.5 放大的自发辐射

7.5.1 噪声功率和噪声带宽

7.5.2 噪声系数

7.5.3 噪声功率方程

7.6 二能级系统的解析法

7.7 包含放大自发辐射的建模

7.7.1 速率方程

7.7.2 平均反转和均匀展宽

7.7.3 非均匀展宽情形

7.8 径向效应

7.8.1 速率方程

7.8.2 径向分布函数

7.8.3 计算实例

参考文献

第8章 量子点光纤和光纤放大器

8.1 低浓度掺杂CdSe/ZnS量子点光纤的传光特性

8.1.1 概述

8.1.2 实验制备和测量

8.1.3 荧光发射峰值波长和峰值强度随掺杂光纤长度的变化

8.1.4 荧光发射峰值波长和峰值强度随掺杂浓度的变化

8.1.5 结论

8.2 较高掺杂浓度CdSe/ZnS量子点光纤的传光特性

8.2.1 概述

8.2.2 实验

8.2.3 不同掺杂浓度下的PL光谱

8.2.4 PL峰值强度增益与掺杂光纤长度的关系

8.2.5 PL峰值强度增益与掺杂浓度的关系

8.2.6 PL光谱中的其他谱峰及红移现象

8.2.7 结论

8.3 UV胶纤芯本底的CdSe/ZnS量子点光纤的传光特性

8.3.1 实验

8.3.2 UV胶中的CdSe/ZnS量子点的吸收谱和发射谱

8.3.3 掺杂光纤对泵浦光的吸收

8.3.4 PL峰值强度与掺杂光纤长度和浓度关系

8.3.5 PL峰值波长与掺杂光纤浓度和长度关系

8.3.6 结论

8.4 量子点光纤荧光光谱的红移

8.4.1 纤芯基底为甲苯时的PL峰值波长的红移

8.4.2 不同纤芯本底的PL峰值波长的红移

8.4.3 结论

8.5 单掺杂PbSe量子点光纤放大器

8.5.1 基本工作原理

8.5.2 速率方程

8.5.3 结果和讨论

8.5.4 结论和展望

8.6 多粒度掺杂PbSe量子点光纤放大器

8.6.1 引言

8.6.2 能级和叠加谱

8.6.3 结果和讨论

8.6.4 结论

8.7 理想的量子点光纤放大器

8.8 结语

参考文献

第9章 量子点光纤激光器

9.1 概述

9.2 几个关键问题

9.2.1 量子点种类的选择

9.2.2 量子点的光学增益和受激辐射阈值

9.2.3 泵浦光激励阈值

9.2.4 光纤增益和损耗

9.2.5 激射的稳定性

9.2.6 谐振腔

9.3 CdSe/ZnS量子点非饱和单模光纤激光的数值建模

9.3.1 原理和模型

9.3.2 数值计算及结果

9.3.3 结论

9.4 基于钠铝硼硅酸盐玻璃的PbSe量子点红外单模光纤激光

9.4.1 PbSe量子点的吸收谱和辐射谱

9.4.2 散射截面和吸收截面

9.4.3 PbSe量子点光纤激光器参量的确定

9.4.4 结论

9.5 PbSe量子点光纤激光器的实验实现

9.5.1 激光器的构成

9.5.2 实验过程

9.5.3 实验结果与分析

9.5.4 结论

9.6 结语与展望

参考文献

第10章 量子点太阳能电池简介

10.1 太阳能电池的基本工作原理

10.2 PIN结构的量子点太阳能电池

10.2.1 基本结构

10.2.2 硅基串联电池

10.3 量子点敏化太阳能电池

10.3.1 类型和比较

10.3.2 结构和组成

10.3.3 工作原理

10.3.4 现状和发展

10.4 量子点多激子产生效应

10.4.1 光子的吸收和产生过程

10.4.2 PbSe、PbS和PbTe量子点中的MEG

10.4.3 CdSe、Si量子点中的MEG

10.4.4 MEG效应提高光伏效率

10.4.5 设计MEG量子点

10.5 量子点太阳能电池的几个关键问题

10.6 展望

参考文献

附录 本书主要物理量符号对照表

希腊字母符号

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第1章量子点概述

纳米科学和技术是21 世纪的科学技术。当前,各种各样纳米结构的研究和应用已经成为科学和技术发展的热点,纳米领域正在经历着一个极为迅速的发展时期。一方面,电子集成目前已达到纳米级的加工水平,由于受到电子衍射极限等因素的制约,电子集成似乎无法进一步扩展。另一方面,由于半导体量子点具有类似于原子、分子的独特性质,使得人们可以通过控制量子点粒径的大小,获得不同波长的光子的吸收和发射,从而为光子集成开辟了极为广阔的应用前景。近年来,量子点在生物荧光标识、太阳能电池、LED 、激光器、光纤放大器等方面都有很多的研究和应用。

纳米结构一般指的是至少在一个维度上的尺寸为1～100nm,这种结构可包括半导体量子阱、量子圈、量子线、量子点以及碳纳米管等。由于纳米结构种类众多,性质各异,要想在一本书中囊括所有的纳米结构是不现实的。本书主要讨论纳米晶体量子点(nanocrystalquantumdots)及其光学性质,并且主要是指通过化学纳米法制备的纳米晶体量子点。在以下各章中,在不引起概念模糊和不特别提及的前提下,所指的纳米结构均指纳米晶体量子点。对于纳米管、量子阱和量子线等纳米材料及其光学性质,读者可参考其他书籍。

本章是本书的一个引述,通过引述向读者介绍关于纳米材料(量子点)的概貌。主要内容包括量子阱、量子线和量子点的基本概念;量子效应,包括量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、库仑阻塞效应;量子点的类型和结构;量子点的应用和研究发展等。

1.1 量子阱、量子线和量子点

半导体中,电子和空穴都可以用波的概念描述,对应的波称为电子和空穴的德布罗意(deBroglie)波,波长分别用λe 和λh 表示。德布罗意波是描述粒子性质的一个重要参量。

对于三维体材料,电子和空穴在三个维度上都不受限制,电子的德布罗意波波长远小于材料的尺寸,因此,体材料中的电子能态为连续分布。当体材料在某一维上的尺寸受到限制,或者该维的尺度小到与电子和空穴的德布罗意波波长相当时, 三维退化为二维,称为量子阱。如果二维尺寸进一步被限制成一维,则称为量子线。如果维度继续减少,成为零维或准零维,电子和空穴的运动在三个方向上都受到限制,那么就称为量子点(quantumdot,QD )。

2πnsns 布罗意波波长,电子能级或者能态密度是连续的,因

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