钠硼铝硅酸盐玻璃基底PbSe量子点掺杂光纤的制备及其光传播特性研究

摘要

量子点(quantum dot，QD)是一种半导体纳米晶体，它的量子尺寸效应使得能级分立并且尖锐化。通过制备不同大小的量子点，能够得到不同波长和带宽的吸收和发射谱。近年来的研究指出，Ⅳ-Ⅵ族的PbSe量子点的吸收-发射谱覆盖了很宽的波带，例如:4～10nm直径的PbSe量子点掺杂玻璃在1200～2300nm范围内都具有强荧光辐射，得到了人们极大关注。
　　本文首先通过高温熔融法，在硅酸盐玻璃基底中成功合成了PbSe量子点，其晶粒尺寸为7.0～9.5nm，掺杂体积分数为2％，测量所得峰值波长位于1510～1730nm。为量子点掺杂光纤的制备和研究打下基础。
　　接着，对硅酸盐玻璃熔体进行拉丝，再经过退火热处理，实验室制备得到了光纤直径为80～130μm的PbSe量子点玻璃裸光纤。用透射电镜分析，光纤中PbSe量子点的晶粒尺寸为4.2～5.5nm，掺杂体积比约1％。对量子点光纤的柔性进行了初步测试。以980nm泵浦激光作为激励源，用荧光光谱仪观测了量子点光纤的荧光发射谱。结果表明:合适的量子点光纤的退火条件跟块玻璃不同。当退火温度为500～600℃、热处理时间为5～10h时，观测到量子点光纤有强烈的荧光辐射，峰值波长位于1300～1450nm，FWHM（半高全宽）达200～330m。光纤最佳退火温度为600℃、时间7.5h。由本文得到的量子点玻璃光纤，可进一步制备成玻璃基底的量子点光纤型增益器件（光纤放大器、光纤激光器）。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 量子点的基本概念

1．1．1 量子尺寸效应

1．1．2 表面效应

1．1．3 宏观量子隧道效应

1．1．4 库仑阻塞效应

1．2 量子点的光学特性

1．2．1 量子点的发光模式

1．2．2 量子点的吸收光谱

1．2．3 量子点的发射光谱

1．2．4 量子点的光放大

1．3 量子点的制备

1．3．1 分子束外延生长法

1．3．2 脉冲激光沉积

1．3．3 溶胶-凝胶法

1．4 量子点的应用

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

1．5 量子点光纤放大器

1．5．1 光纤通讯的发展

1．5．2 光纤放大器的发展

1．5．3 量子点光纤放大器的原理

1．6 量子点光纤材料进展

1．6．1 量子点玻璃研究进展

1．6．2 量子点光纤研究进展

1．7 本文研究主要内容

第二章 实验部分

2．1 制备方法及玻璃基底的选择

2．1．1 玻璃基底的选择

2．1．2 玻璃制备方法的选择

2．1．3 光纤制备方法的选择

2．2 实验原料及设备

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验设备

2．3 量子点玻璃光纤制备

2．3．1 PbSe量子点掺杂玻璃制备流程

2．3．2 PbSe量子点掺杂光纤制备流程

2．4 样品性能表征方法

2．4．1 光学显微镜分析

2．4．2 透射电子显微镜(TEM)分析

2．4．3 近红外吸收谱分析

2．4．4 荧光发射(PL)谱分析

2．5 本章小结

第三章 PbSe量子点掺杂玻璃的制备

3．1 玻璃配方选用

3．2 制备过程

3．3 实验结果与分析

3．3．1 TEM分析

3．3．2 近红外吸收谱分析

3．3．3 荧光发射(PL)谱分析

3．4 讨论

3．4．1 吸收峰与辐射峰的频移

3．4．2 热处理温度对量子点尺寸的影响

3．4．3 热处理温度对辐射峰强度的影响

第四章 PbSe量子点光纤的制备

4．1 制备过程

4．2 表征手段

4．3 实验结果及分析

4．3．1 结构和机械性能分析

4．3．2 TEM分析

4．3．3 PL谱分析

4．4 讨论

4．4．1 热处理条件对光纤中量子点尺寸和PL谱的影响

4．4．2 二次热处理失败原因分析

4．4．3 与块状玻璃PL谱对比

4．4．4 光纤长度与量子点浓度关系分析

第五章 结论与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果