CdSexS1-x和CdSexS1-x/ZnS系列量子点的光谱与光学非线性特性研究

摘要

半导体量子点具有大的非线性吸收系数和非线性折射率,使之成为光开关、光限幅和光存储等光电子器件的优选材料。因此研究量子点的非线性光学特性,探索其产生各种光学特性的机理以及其潜在的应用具有非常重要的意义。本文以不同组分的非核壳CdSexS1-x和核壳CdSexS1-x/ZnS系列量子点为研究对象,围绕不同组分、包壳与未包壳量子点的光谱特性,非线性光学特性以及光限幅效应等方面进行了系统的研究。主要工作归纳如下:
　　 1.研究了不同组分的CdSexS1-x和CdSexS1-x/ZnS系列量子点的吸收光谱特征和荧光光谱特性。首先,通过吸收光谱与有效质量近似模型,确定了CdSexS1-x和CdSexS1-x/ZnS系列量子点的组分,比按投料计量的组分准确的多,并发现组分能够调谐吸收光谱波长与发射波长。其次,通过对吸收光谱进行高斯拟合,计算了CdSe1*xSx和CdSe1-xSx/ZnS系列量子点的本征复合寿命,发现通过壳层对量子点的修饰,能够缩短本征复合寿命,增加了振子强度;通过比较CdSe1-xSx和CdSe1-xSx/ZnS系列量子点荧光光谱,发现核壳结构的量子点荧光光谱强度明显增强;这表明包覆壳层对量子点修饰能够减少量子点表面缺陷密度,减小了无辐射跃迁的通道,从而能够提高量子点的荧光强度。
　　 2.在波长为1064nm皮秒激光激发下,用Z一扫描方法研究了不同组分的CdSexS1-x和CdSexS1-x/ZnS系列量子点非线性光学特性。结果表明CdSe0.5S0.5/ZnS量子点对1064nm的激发光存在非线性吸收,CdSe0.3S0.7、CdSe0.5S0.5、CdSe0.5S0.2、CdSe0.8S0.2/ZnS和CdSe0.3S0.7/ZnS量子点没有非线性吸收。首先建立双光子激发的动力学能级模型,解释了CdSe0.5S0.5/ZnS量子点的非线性折射率随入射光强的增加线性减小的变化规律,求得该量子点溶液的三阶非线性折射率γ3=1.50×10-17m2/W(SI)(5.1×10-11esu),,自由载流子折射截面为σr=-6.74.×10-24cm3,双光子吸收截面δ2PA队达到104GM数量级。其次,通过闭孔Z-扫描技术求得CdSe0.3S0.7、CdSe0.5S0.5、CdSe0.8S0.2、CdSe0.S0.2/ZnS和CdSe0.3S0.7/ZnS量子点不同入射光强的非线性折射率,发现其非线性折射率随入射光强的变化不大,这是因为1064nm的激发光不在量子点的吸收区内,所以其非线性折射率主要来源于价带的束缚电子,激发光只引起价带束缚电子的电子云畸变,对束缚电子的分布影响不大。还发现随着Se的增加,CdSexS1-x和CdSexS1-x/ZnS系列量子点的非线性折射率随之增大,并对此给出了定性的解释。这说明组分不仅可以调谐量子点的发射波长,还可以调谐量子点的非线性折射率。另外,包覆壳层量子点的非线性折射率比相同组分的非核壳量子点大,说明壳层包覆能够改善其光学非线性特性。
　　 3.在波长为532nm的皮秒激光激发下,用Z-扫描方法研究了不同组分的CdSexS1-x和CdSexS1-x/ZnS系列量子点非线性光学特性。结果表明这些量子点对532nm的激发光都存在非线性吸收,其中CdSe0.3S0.7量子点的非线性吸收源于双光子吸收和双光子诱导的激发态吸收过程,其余量子点的非线性吸收皆源于激发态吸收过程。首先建立双光子激发动力学能级模型解释了CdSe0.3S0.7量子点有效的双光子吸收系数随入射光强增大线性增大和非线性折射率随入射光强增大线性减小的现象,这表明其非线性折射率主要源于价带束缚电子和双光子产生的自由载流子的共同贡献,且双光子诱导的激发态吸收和自由载流子的非线性响应都是五阶非线性过程。求得双光子吸收系数1.2cm/GW,双光子吸收截面δ2PA=1.5×104GM,双光子吸收诱导的激发态吸收截面σeff=0.63×10-19cm2,三阶非线性折射率为2.6×10-14cm2/W(8.7×10-12esu),其自由载流子的折射截面σr=-2.9×10-23cm3。其次,建立激发态吸收的动力学能级模型解释了CdSe0.5S0.5、CdSe0.8S0.2、CdSe0.3S0.7/ZnS、CdSe0.5S0.5/ZnS和CdSe0.8S0.2/ZnS量子点在单光子共振区的非线性吸收现象,证实其源于激发态吸收,并求得了这些量子点的有效的激发态吸收截面和非线性折射率,发现随着Se的增加,非线性折射率增加,而有效的激发态吸收截面减小,说明组分能够调谐量子点的光学非线性特性,并定性地解释了这种变化规律;另外,还发现包覆壳层的量子点的有效激发态吸收截面和非线性折射率都比同组分的未包壳量子点大,说明表面包覆能够有效地改善量子点的非线性光学特性。
　　 4.通过测量量子点的非线性透过率,发现随入射光强的增加,非线性透过率很快减小,表明这些量子点具有良好的光限幅行为,可以作为光限幅器的优选材料。