量子点纳米光子学及应用

　　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热门前沿领域。本书主要内容有：量子点的基本概念和纳米光子学的基础理论；量子点的能级结构；量子点的制备和表征；量子点光谱；量子点荧光谱的温度特性；光纤中的传输；量子点光纤；量子点光纤放大器和量子点光纤激；纳米光子学研究的几个热点领域及进展，包括量子点太阳能电池、硅量子点、硅量子点、单等离子激元纳米粒子的光学特征、表面增强拉曼散射的超分辨成像等。

　　程成，程潇羽 著

序 前言 第1章 量子点概述 1 1.1 量子阱、量子线和量子点 1 1.2 量子效应 3 1.2.1 量子尺寸效应 3 1.2.2 表面效应 4 1.2.3 宏观量子隧道效应 5 1.2.4 库仑阻塞效应 5 1.3 量子点的类型和结构 5 1.3.1 量子点的类型 5 1.3.2 量子点的结构 8 1.4 量子点的应用 11 1.4.1 量子点光电子器件 11 1.4.2 量子点太阳能电池 13 1.4.3 量子点在生命科学中的应用 15 1.4.4 量子点研究的展望 16 参考文献 17 第2章 量子点纳米光子学基础 19 2.1 光子和电子 19 2.2 激子 21 2.3 传播和约束 22 2.3.1 自由空间中的传播 22 2.3.2 光子和电子的约束 23 2.4 隧道效应 26 2.5 周期势场下的约束：带隙 28 2.6 纳米级能量转移 33 2.6.1 高浓度掺杂时的能量转移 34 2.6.2 瞬逝波 34 2.6.3 荧光共振能量转移 35 参考文献 36 第3章 量子点的能级结构 37 3.1 量子电子态 37 3.1.1 势阱中的粒子 37 3.1.2 球对称势阱中的粒子 41 3.1.3 库仑势中的电子 45 3.1.4 周期势中的粒子 46 3.1.5 晶体中的电子 50 3.1.6 准粒子电子、空穴和激子 54 3.2 有效质量近似 58 3.2.1 弱约束情形 59 3.2.2 强约束情形 60 3.2.3 中等约束情形 63 3.3 表面极化效应 65 3.4 紧束缚近似 66 3.5 经验赝势法 67 参考文献 68 第4章 量子点的制备和表征 70 4.1 量子点制备 71 4.1.1 分子束外延生长 71 4.1.2 金属有机化学气相沉积法 73 4.1.3 脉冲激光沉积法 75 4.1.4 纳米化学法 76 4.1.5 高温熔融法 80 4.2 实验室量子点光纤制备 80 4.2.1 光纤纤芯本底材料的选择 81 4.2.2 量子点胶体的制备 81 4.2.3 空芯光纤灌装方法探索 82 4.2.4 量子点玻璃光纤（空气包层）的制备 85 4.3 量子点的表征 88 4.3.1 X射线 89 4.3.2 电子显微镜 90 4.3.3 扫描探针显微镜 92 4.3.4 激光粒度仪 93 4.3.5 吸收-辐射光谱 95 4.4 熔融法制备PbSe量子点玻璃 96 4.4.1 实验制备 96 4.4.2 结果与分析 97 4.4.3 熔融二次热处理优化制备PbSe量子点荧光玻璃 103 4.5 本体聚合法制备PbSe/PMMA量子点光纤材料 109 4.5.1 概述 109 4.5.2 制备 110 4.5.3 结果与分析 111 4.5.4 结论 115 4.6.1 实验 116 4.6.2 结果与分析 117 4.6.3 结论 123 参考文献 124 第5章 量子点光谱 126 5.1 量子点的发光 126 5.1.1 发光模式 126 5.1.2 俄歇复合 127 5.1.3 量子点光谱的频移 127 5.2 量子点的吸收、辐射和散射特性 129 5.2.1 吸收 129 5.2.2 辐射 130 5.2.3 散射 132 5.3 跃迁谱线展宽 134 5.3.1 均匀展宽 135 5.3.2 非均匀展宽 137 5.3.3 综合展宽 138 5.3.4 量子点的粒度分布对荧光辐射谱的影响 139 5.4 跃迁截面 147 5.4.1 截面的概念 147 5.4.2 爱因斯坦系数和Ladenburg-Fuchtbauer关系 149 5.4.3 辐射截面的Mc Cumber理论 151 5.4.4 截面的确定 154 5.4.5 能级寿命 161 5.5 室温下正己烷本底中PbSe量子点的荧光寿命 163 5.5.1 实验材料与表征 164 5.5.2 结果与分析 165 5.5.3 结论 171 5.6 CdSe/ZnS量子点的吸收与折射率色散关系的确定 171 5.6.1 实验 171 5.6.2 结果与分析 173 5.6.3 结论 179 5.7 PbSe、PbS和CdSe、CdS量子点的比较 179 参考文献 180 第6章 量子点的温度特性 183 6.1 量子点PL谱的温变特性理论 183 6.1.1 量子点PL峰值强度随温度的变化 183 6.1.2 量子点PL峰值波长随温度的变化 184 6.1.3 量子点PL谱的半高全宽随温度的变化 187 6.2 CdSe/ZnS量子点的热稳定性研究 189 6.2.1 实验和结果 190 6.2.2 实验和理论的比较与讨论 192 6.2.3 小结195 6.3 CdSe/ZnS核/壳量子点薄膜温度传感器 196 6.3.1 光路结构 196 6.3.2 温度敏感元件制作 197 6.3.3 实验结果及分析 197 6.3.4 小结 202 参考文献 202 第7章 光纤中的光传输 204 7.1 均匀介质中的光传输 204 7.2 三能级系统 206 7.2.1 三能级模型 206 7.2.2 三能级速率方程 206 7.2.3 小信号增益 208 7.2.4 增益饱和 211 7.2.5 最佳光纤长度 212 7.3 重叠因子 212 7.4 二能级模型 215 7.4.1 二能级近似 215 7.4.2 二能级速率方程 216 7.5 放大的自发辐射 218 7.5.1 噪声功率和噪声带宽 218 7.5.2 噪声系数 219 7.5.3 噪声功率方程 220 7.6 包含放大自发辐射的建模 221 7.7 径向效应 222 7.7.1 速率方程 223 7.7.2 径向分布函数 224 7.8 三维情形 225 参考文献 226 第8章 量子点光纤和光纤放大器 227 8.1 UV胶纤芯本底的CdSe/ZnS量子点光纤的传光特性 228 8.1.1 实验 228 8.1.2 UV胶中CdSe/ZnS量子点的吸收谱和辐射谱 229 8.1.3 掺杂光纤对泵浦光的吸收 230 8.1.4 PL峰值强度与掺杂光纤长度和浓度的关系 231 8.1.5 PL峰值波长与掺杂光纤浓度和长度的关系 233 8.1.6 结论 234 8.2 量子点光纤荧光光谱的红移 234 8.2.1 纤芯基底为甲苯时的PL峰值波长的红移 234 8.2.2 不同纤芯本底的PL峰值波长的红移 236 8.2.3 结论 238 8.3 单掺杂PbSe量子点光纤放大器 238 8.3.1 基本工作原理 239 8.3.2 速率方程 240 8.3.3 结果与分析 243 8.3.4 结论和展望 246 8.4 多粒度掺杂PbSe量子点光纤放大器 247 8.4.1 引言 247 8.4.2 能级和叠加谱 247 8.4.3 结果与分析 249 8.4.4 结论 252 8.5 PbSe量子点近红外宽带光纤放大器的实验实现 252 8.5.1 实验 253 8.5.2 结果与分析 254 8.5.3 结论 261 8.6 理想的量子点光纤放大器 261 8.7 结语与展望 264 参考文献 266 第9章 量子点光纤激光器 268 9.1 概述 268 9.2 几个关键问题 271 9.2.1 量子点种类的选择 271 9.2.2 量子点的光学增益和受激辐射阈值 272 9.2.3 泵浦光激励阈值 273 9.2.4 激射的稳定性 274 9.2.5 谐振腔 274 9.3 PbSe量子点光纤激光器的实验实现 276 9.3.1 激光器的构成 276 9.3.2 实验过程 276 9.3.3 结果与分析 277 9.3.4 结论 284 9.4 环形腔PbSe量子点单模光纤激光的数值模拟 284 9.4.1 粒子数速率方程、光功率方程及循环条件 284 9.4.2 重叠因子 286 9.4.3 弯曲损耗 286 9.4.4 数值模拟 287 9.4.5 结论 291 9.5 结语与展望 292 参考文献 294 第10章 纳米光子学若干热点及进展 296 10.1 量子点太阳能电池 296 10.1.1 太阳能电池的基本工作原理 297 10.1.2 PIN结构的量子点太阳能电池 300 10.1.3 量子点敏化太阳能电池 304 10.1.4 量子点多激子效应 309 10.1.5 几个关键问题 318 10.1.6 展望 320 10.2 硅量子点 320 10.2.1 硅量子点简介 320 10.2.2 硅量子点制备 322 10.2.3 硅量子点的生物应用 325 10.2.4 展望 327 10.3 表面等离子激元光子学 327 10.3.1 表面等离子激元的物理机制 327 10.3.2 局域表面等离子激元 329 10.3.3 传播的表面等离子激元 330 10.3.4 表面增强拉曼散射 333 10.3.5 表面等离子激元的应用及展望 334 10.4 单个等离子激元纳米粒子的光学特征 335 10.4.1 电磁理论模型：Mie理论和Gans理论 336 10.4.2 单粒子散射法 338 10.4.3 单粒子消光方法 342 10.4.4 单粒子吸收方法 345 10.4.5 单粒子光谱与电子显微镜结合 348 10.4.6 等离子激元的谱线宽 351 10.4.7 小结 355 10.5 表面增强拉曼散射热点的超分辨成像 355 10.5.1 高分辨率成像的基本原理 356 10.5.2 超分辨SERS热点成像 358 10.5.3 衍射极限限制的SERS辐射的拟合：超越高斯近似 360 10.5.4 光谱-空间分辨的热点 363 10.5.5 结论和展望 365 参考文献 366 附录1 本书主要物理量符号对照表 373 附录2 希腊字母符号对照表 377