玻璃中PbS量子点的近红外反Stokes荧光性能研究

摘要

光致发光过程中，当发射光子能量大于吸收光子能量，我们称之为反Stokes荧光，这是一种违反Stokes定律的发光。这种荧光可以吸收声子能量，导致高于激发光频率的发光，同时降低材料的温度，因此在激光制冷，光谱转换等方面具有较好的应用前景。而半导体量子点因有强烈的量子效应，具有荧光效率高，荧光波长可调等优异的光电性能，这些优异的光电特性更有利于反Stokes荧光的应用和研究。PbS带隙窄，激子玻尔半径大，量子点有效带隙调节范围大，易于实现反Stokes荧光，因此，我们选择PbS量子点作为研究对象，实现量子点的反Stokes荧光，并研究其荧光性能及发光机理，为其应用奠定基础。 熔融法制备量子点具有光、热和化学稳定性好，机械强度高，操作简便成本低等优点，此外，量子点玻璃基质还能制成平板、光纤等直接进行应用。因此，本实验采用熔融法，将玻璃的原料和PbO、ZnS前驱体混合，熔融淬冷制成原始玻璃样品。通过DSC热分析得到玻璃化转变温度、析晶温度等信息，来制定适宜的热处理制度，控制玻璃中析出PbS量子点的尺寸。并通过XRD和TEM分析量子点析晶状况和形貌。最后通过吸收光谱测试和不同波长激发下的荧光光谱，分析了PbS量子点的光学性能和反Stokes荧光性能，并得到以下结果： （1）使用熔融法成功在普通硅酸盐玻璃中析出了尺寸可调PbS量子点，合成了尺寸从3.4 nm至7.8 nm的量子点。且玻璃中PbS量子点荧光均出现了Stokes位移，且随着量子点尺寸增大，Stokes位移从301 meV减少到12 meV，并研究了Stokes位移的原因及其与量子点尺寸的关系，并证明了这主要是由于量子点的表面缺陷能级引起的。 （2）研究了不同波长激发量子点的荧光现象，并在采用较长波长激光激发时，成功实现了量子点的反 Stokes荧光，该荧光峰相对短波长激发的正常荧光峰产生红移，该红移说明存在其它的缺陷能级参与了反Stokes荧光。 （3）量子点的反Stokes荧光的强度随激发强度的近线性增加，和反Stokes荧光与正常荧光的能量差等现象，证明了反Stokes荧光为声子参与的单光子过程。激发强度过高会产生较强的光致暗化，导致反Stokes荧光强度反而降低。 （4）对非对称的反Stokes荧光峰进行高斯分峰后，可以得到P1和P2两个子峰，分别对应表面能级参与的正常荧光和缺陷能级参与的荧光。随着激发强度增加，P1和P2能量差变小，超过1400 mW激发5.8 nm量子点时，P1、P2将重合。 （5）基于以上数据和其他研究者的文献，提出了一个缺陷模型，该模型包含量子点表面的悬挂键导致的表面能级和处于玻璃与量子点界面处缺陷能级，能合理地解释PbS量子点的正常Stokes荧光性能和反Stokes荧光性能。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 反Stokes荧光

1.3 半导体量子点概述

1.4 半导体量子点的性质

1.5 半导体量子点的制备方法

1.6 半导体量子点的应用

1.7量子点反Stokes荧光的研究现状

1.8 本论文研究内容与意义

第2章 PbS量子点微晶玻璃的制备及测试

2.1 引言

2.2 PbS量子点的制备过程

2.3 PbS量子点玻璃的性能表征

第3章 PbS量子点玻璃的制备及荧光性能研究

3.1 引言

3.2 PbS量子点的制备过程

3.3 PbS量子点的性能分析及讨论

3.4 小结

第4章 玻璃中PbS量子点的反Stokes荧光性能

4.1 引言

4.2 激发条件对量子点荧光的影响

4.3 激发强度对反Stokes荧光的影响

4.4 反Stokes荧光的缺陷模型

4.5 小结

第5章 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的科研成果