半导体胶体量子点异质结与双光子吸收的研究

摘要

半导体胶体量子点是一种被广泛关注和研究的新型纳米半导体材料。量子点由于具有独特的光学、电学特性，有着十分广阔的应用前景，例如基于量子点的新型太阳能光伏器件、量子点发光二极管、量子点生物成像、量子点光电探测器和量子点激光等。在上述的光电和光伏应用领域中，量子点需要与载流子传输层（例如ZnO和石墨烯）形成异质结，它们界面的能带结构对器件的性能有很大的影响，测量与理解量子点与电子传输层界面的能带结构对优化器件性能有重要的意义。此外在生物成像领域，目前含镉的量子点用于生物成像有潜在的毒性，开发不含镉的新型量子点用于双光子生物成像具有积极的意义。
　　本论文主要研究量子点与ZnO、石墨烯异质结界面的能带结构，利用光电子能谱研究它们的价带带阶，并通过制备量子点-石墨烯异质结光电探测器研究量子点与石墨烯能量传递的过程及其影响因素，此外还探索了Zn2+掺杂的Cu-In-Zn-S量子点的双光子吸收特性，取得了以下创新性研究成果:
　　(1)利用紫外光电子能谱(UPS)获得了CdSe量子点-ZnO异质结的界面能带结构，研究表明不同尺寸CdSe量子点与ZnO界面能带均构成Ⅱ型异质结，通过控制量子点的尺寸能显著地调节CdSe量子点-ZnO异质结的价带带阶。利用X光光电子能谱(XPS)对异质结界面的能带结构进行表征，测量出CdSe/ZnS量子点与石墨烯异质结的价带带阶，发现CdSe/ZnS量子点的价带比石墨烯高出约1.7eV。以上的研究结果不仅为实现高效量子点敏化高效太阳能电池提供界面能带结构的依据，同时也为量子点-石墨烯异质结构光探测器能量传递机制的研究打下基础。
　　(2)采用激光刻蚀的方法制备了CdSe/ZnS量子点-石墨烯异质结光探测器，通过瞬态荧光光谱发现了量子点荧光寿命可受到背栅电压的调制，并且在±1V偏压范围荧光寿命最短，意味着量子点吸收了光之后其能量有效地传递给石墨烯。理论模型与实验结果的比较证实了量子点-石墨烯存在F(o)rster共振能量传递，通过栅压调节石墨烯费米能级可实现量子点到石墨烯能量的有效传递。该结果可以为量子点-石墨烯异质结探测器的应用打下基础。
　　(3)利用两步合成法在CuInS2量子点的基础上通过掺入Zn2+获得了Cu-In-Zn-S量子点。双光子荧光光谱确认了Zn2+掺杂的Cu-In-Zn-S量子点具备双光子吸收能力，进一步通过Z-scan技术获得量子点双光子吸收最大截面为8.109×10-48 cm4 s photon-1，发现Zn2+的掺杂对提高双光子吸收截面有重要作用。该结果为Cu-In-Zn-S量子点在生物荧光成像中的应用提供了实验数据。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 半导体胶体量子点的发展历程

1．2 半导体胶体量子点的物理特性

1．3 量子点发光二极管的研究进展

1．4 量子点太阳能光伏器件的研究进展

1．5 量子点光探测的研究进展

1．6 量子点生物荧光成像与双光子吸收的研究进展

1．7 论文研究思路

2 主要表征设备和半导体胶体量子点的合成

2．1 主要表征设备

2．1．1 X射线衍射

2．1．2 稳态和瞬态荧光光谱仪

2．1．3 透射电子显徼镜

2．1．4 光电子能谱

2．2 PbSe量子点的合成

2．2．1 热注入法合成量子点

2．2．2 量子点生长模型

2．2．3 量子点的尺寸与带隙之间的关系

3 CdSe量子点-ZnO和CdSe／ZnS量子点-石墨烯异质结界面的能带结构研究

3．1 CdSe量子点-ZnO薄膜异质结的制备与表征

3．1．1 CdSe量子点的合成与表征

3．1．2 CdSe量子点-ZnO薄膜异质结的界面处理与制备

3．2 CdSe量子点-ZnO异质结界面能带结构的测量

3．3 结果讨论

3．4 CdSe／ZnS量子点-石墨烯异质结的制备

3．5 CdSe／ZnS量子点-石墨烯异质结界面价带带阶的测量

3．6 本章小结

4 量子点-石墨烯异质结构光探测器的研究

4．1 量子点-石墨烯异质结构光探测器的制备

4．2 量子点-石墨烯异质结构光探测器的表征

4．3 量子点与石墨烯间F?rster共振能量传递的模型与解释

4．4 本章小结

5 Zn2+掺杂Cu-In-Zn-S量子点双光子吸收的研究

5．1 Cu-In-Zn-S量子点的制备

5．2 Cu-In-Zn-S量子点双光子吸收的测量实验

5．3 结果与分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

参考文献

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